автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Комбинированное использование солнечной и ветровой энергии с гидроаккумулированием

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГ6 од

На правах рукописи

- 5 Ш£Ж ШГ

У КУЛИ

КОМБИНИРОВАННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ И ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ С ГИДРОАККУМУЛИРОВАНИЕМ

Специальность: 05. 14. 10 - Гидроэлектрое •нции и

гидроэнергетические установки 05. 14. 08 - Преобразование возобновляемых видов энергии и установки на их основе

/

А втореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре Гидроэнергетики и электроэнергетики ...... возобновляемых источников Московского энергетическго института

(технического университет) ;> [; , ,

Научный руководитель: Академик АВН РФ, доктор технических

наук, профессор

Виссарионов Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Академик АЕН, доктор

физико-математических наук, профессор В.В. Алексеев

чл.-корр. МЭАП, кандидат тенических наук, доцент Д.С. Бегляров

Ведущая организация: Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

Защита состоится " 16 " июня 1995 г. в 13 час. 30 мин. В аудитории • Г - 201 на заседании диссертационного Совета К 053.16.17 в Московском энергетическом институте(МЭИ ТУ).

Адрес: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭМ. Автореферат разослан мая 1995 г.

ученый секреталь Диссертационного Совета К053.16.17

канд. техн. наук. доц. —" Ю.А. Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность___темы. В настоящее время в Китае остро

ощущается нехватка электроэнергии. Каждый год из-за дефицита электроэнергии третья часть производства промышленности страны не может полностью реализоваться. Идут интенсивные поиски развития традиционной энергетики и развития энергетики так называемых нетрадиционных возобновляемых источников энергии(ВИЭ), прежде всего, это малая гидроэнергетика, солнечная и ветровая энергетика, использование биомассы и др.. Традиционная энергетика, использующая органическое и ядерное топливо оказывает негативное влияние на окружающую среду: тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение, и создает угрозу возможных аварий энергетических гигантов. Это особенно важно для Китая, где проживает свыше одного миллиарда населения. Развитие энергетики нетрадиционых ВИЭ существенно разрешит эти проблемы. В настоящее время в связи с технико-экономическими трудностямим, отсуствует возможность маштабного использования ВИЭ, но уже осуществлен значительнный прогресс в данной области .

В некоторых районах, где имеются более благопроятные условия для использования ВИЭ, использование этих источников уже конкуретно способно по сравнению с традиционными источниками, особенно развивается ветроэнергетика в северно-западных районах-и в Автономном Районе Внутренней Монголии Китая, где солнечная радиация составляет в среднем бООВт/м" при 3100 часах солнечной погоды в год и повторяемость скорости ветра V > 3м/с составляет 60%, причем там в настоящее время во многих населенных пунктах еще нет снабжения электроэнергией из общей энергосистемы. Таким образом, использование ВИЭ в таких районах становится все более актуальным.

В настоящее время научные работники большое внимание уделяют: 1) разработке и усовершенствованию конструкции и элементов энергоустановок на базе ВИЭ; 2) их коммунальному использованию как солнечных водонагревателей, солнечных фотоэлементов, и ветроагрегатов малого масштаба (хорошие результаты получены в Индии, Китае и Германи); 3)промышленно-масштабное использование ВИЭ: солнечные электрические станции (в СНГ, США. Германии и др.) и мощные ветроустановки, включаемые в объединеную энергосистему (особенно, в Дании и Калифорнии).

Что касается комбинированного использования ВИЭ как комплексной системы энергоснабжения изолированного потребителя, то этому уделялось очень мало внимания и мало литературы и публикаций по их теоретической разработке и практическому применению.

Как выше сказано, географические и климатические условия Внутренней Монголии Китая дают основу для создания энергокомплекса на базе ВИЭ, способного решать энергетические задачи для изолированных от общей энергосистемы потребителей. Создание такого энергокомплекса в аналогичных районах в некоторых развивающихся странах для решения энергетической задачи также весьма актуально. Важное значение при этом приобретает защита окружающей среды.

'Здесь возникает целый спектр задач, подлежащих решению для обоснования такого энергокомплекса. Не претендуя на исчерпывающую полноту, назовем некоторые из них необходимые для начальной стадии исследования. К числу таких задач можно отнести следующие:

- разработку кадастров местных ресурсов ВИЭ и статистику их исходных данных в виде вероятностей притоков Энергии во времени;

- исследование особенностей ВИЭ;

- исследование характеристики потребителей и их требований;

- определение возможных соотношений установленных мощностей установок на основе различных источников;.

- оптимизация структуры энергокомплекса с учетом функцио-нированной надежности;.

- определение оптимальных параметров энергокомплекса на базе ВИЭ на детерминированной основе с учетом неопределенности притоков солнечной и ветровой энергии;

- технико-экономическое обоснование энергокомплекса на базе ВИЭ для изолированных потребителей;

- рассмотрение альтернативных вариантов энегоснабжения для изолированых потребителей.

Исследование данной диссертационной работы проведено:

методом математической статистики при обработке характеристик притоков солнечной и ветровой энергии,

статистическим методом обоснования комбинированного использования солнечной и ветровой энергии для энергоснабжения изолированных потребителей,

стохастическим методом обоснования энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС' в условиях неопределенности исходной информации.

К защите представляются:

1. Оценка перспективности использования энергокомплексов на базе ВИЗ.

2. Статистика характеристик солнечной радиации и характеристик скоростей ветра.

3. Корреляционный анализ режимов работы СЭС, ВЭС и графиков нагрузки изолированных потребителей.

4. Метод определения необходимого обьема гидроаккумулирования энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС для полного обеспечения энергоснабжения изолнрованых потребителей.

5. Математические модели для определения оптимальных установленных мощностей СЭС-ВЭС в условиях неопределенности.

6. Определение закона распределения месячной выработки электроэнергии на СЭСи ВЭС как случайных процессов.

Научная___новизна: В диссертационной работе получены

следующие новые научные результаты:

1. Предложен статистический подход к созданию модели энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС.

2. Разработана методика определения объема гидроаккумулирования для комбинированного использования солнечной и ветровой энергии.

3. Получен закон распределения месячной выработки электроэнергии на СЭС и ВЭС как случайных процессов.

4. Предложены математические модели для определения оптимальных параметров СЭС-ВЭС в условиях неопределенности.

Практическая ценность:

1. Разработан способ, позволяющий определить емкость аккумулирования для комбинированного использования солнечной и ветровой энергии.

2. Подтвержден тот факт, что комбинированное использование ветровой и солнечной энергии является более эффективном режимом работы, чем их отдельное использование в условиях конкретной местности Китая при условии минимизации необходимого обьема энергоаккумулирования.

3. Получен закон распределения месячной выработки электроэнергии на СЭС и ВЭС, позволяющий применить математические модели, в которых учитывается неопределенность исходной информации.

4. Разработанны математические модели, позволяющие рассчитывать параметры СЭС и ВЭС в условиях неопределенности.

5. Разработанные модели энергокомплекса позволяют задавать разную обеспечность электроэнергией потребителей (помесячно).

Апробация. работы. Основные положения диссертационой работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах и заседаниях кафедры гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников Московского Энергетического Института (Технического Университета) в 1987-1991 годах. Дополнения и изменения в работу внесены в 1995 году.

Публикации. По теме диссертации опубликование одна статья.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований и приложения. Работа содержит. 101 страницу машинописного текста, 15 рисунков, Ютаблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во. введении обснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой-главе дан анализ технического развития и современного состояния использования ВИЭ. Проведен анализ особенностей электроэнергетики на базе ВИЭ, показаны пути рационального использования ВИЭ, рассмотрены проблемы создания энергокомплекса на базе возобновляемых источников в изолированной системе. Сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию характеристик поступления солнечной и ветровой энергии и анализу особенностей состава энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС. В ней рассматриваются характеристики солнечной прямой радиации и скоростей ветра, нх закономерность и неопределенность в условиях Внутренней Монголии Китая. Осуществлена обработка исходной информации солнечной радиации и скоростей ветра за период 1960-1989 гг,(иа метеорологической станции расположенной на 42° северной широты и 114 восточной додготы)(табл.1). Предложены методы определении выработки электроэнергии на СЭС и ВЭС. проведен анализ характеристик изолированных электропотребителей и

гидроаккумулирования для СЭС-ВЭС.

Обшая продолжительность/часов/ скоростей ветра Таблица 1.

Месяцы Распределен« <3 | 3-6 скорости ветра (М/с) 6-10 | 10 - 17 | >17 V (М/с)

1 326,5 216,0 144,0 28,5 29,0 5,0

2 329,0 168,0 120,0 28,5 26,5 4,9

3 324,0 192,0 170,5 24,0 33,5 5,2

4 240,0 180,0 228,0 36,0 36,0 6,0

5 264,0 196,5 221,0 29,0 33,5 5,7

6 331,0 228,0 132,0 24,0 5,0 4,4

7 516,0 122,5 96,0 4,5 5,0 3,4

8 552,0 108,0 77,0 5,0 2,0 3,1

9 444,0 146,5 1 10,5 12,0 7,0 3.8

10 376,5 180,0 151,0 33,5 2,5 4,4

И 326,5 180,0 156,0 29,0 28,5 5,1

12 264,0 204,0 199,0 38,5 38,5 5,7

В_____третьей______главе рассмотрены методы обоснования

комбинированного использования ветровой и солнечной энергии изолированным электропотребителем. Проведен статистический анализ целесообразности комбинированного использования ветровой и солнечной энергии изолированным потребителем. Применен технологический метод объема-кривых Риппла для определения объема гидроаккумулирования энергокомплекса СЭС-ВЭС.

Метод расчета построен на определении временного ряда остаточного потока энергии S(T):

Г) = f (ч - p)dl = £ qdt - pdt = Qf - pr (1)

где S(T) - остаточный поток энергии, кВт.ч;

q(t) - подведенная мощность от возобновляемых источников, кВт;

р(1) - график нагрузок, кВт;

Т - расчетный период, год.

В изолированной системе минимальный объем аккумулирования определяется максимальным дифицитом остаточного потока энергии D:

D = max S(T/) - min S(T2) , (2)

при 77 < T2,

где D - максимальный дефицит энергии, кВт.ч.

Вышеизложенная модель расчета минимального объема аккумулирования была построена на основе идеальной модели аккумулирования энергии. В действительности необходимо учитывать потери мри любом аккумулировании энергии, т.е. потери мри заряде и разряде энергии и потери при ее хранении.

Гидроаккумулирующая электростанция имеет КПД равный примерно 0,70. При заряде, т.е. в насосном режиме КПД //н = 0,85, а при разряде - турбинном режиме rjr = 0,86. Для того, чтобы упростить задачу решения на данном этапе, мы допускаем, что в насосном и турбинном режимах их КПД одинаковы (ij = г/н = qr = 0,85) кроме того, потери энергии при ее хранении не учтены.

Учитывая вышеописанные факторы, касающиеся потерь при гидроаккумулировании, внесем в формулу (1) следующие поправхи:

•М П = £(</ - Р)*[ I + (>/ - Н(ч - л)]* Л

(3)

при условиях

1, если <7 - р > О

Н =

если q - р < О

Таким образом, мы определили математическую модель расчета необходимого объема аккумулирования для полного обеспечения изолированного потребителя электроэнергией от возобновляемых источников (без учета других дополнительных источников энергии).

В работе рассмотрена задача определения необходимого объема гидроаккумулирования в трех вариантах при электропроизводстве от возобновляемых источников:

1) обеспечение электроэнергией только от СЭС;

2) обеспечение электроэнергией только от ВЭС;

3) обеспечение электроэнергией от комбинированного энергокомплекса СЭС-ВЭС.

На примере конкретных данных проведен расчет объема аккумулирования энергии по методу объема-кривых Риппла с поправками (3) на основе ряда упрощений:

1) временные ряды мощности электропотребителей р, и временные ряды выходных мощностей i/, СЭС, ВЭС и суммарных мощностей СЭС-ВЭС построены на средних многолетних значениях;

2) цикл этих временных рядов 'Г — один год;

3) расчетный период может быть равным Т или 2Т в случае требования расчета, естественно, что все данные р, и q, во втором Т-периоде как их повторение в первом Т-периоде.

Результаты расчетов в 1-ом и 2-ом вариантах показаны на рис.1. Очевидно, что общая характеристика зависимости необходимого объема энергии аккумулирования на ГАЭС от установленной мощности ВЭС а) и СЭС б) при их отдельном использовании такова, что с увеличением

СЭС ВЭС

установленных мощностей NyCr или Nycx уменьшается необходимый объем энергии D на ГАЭС. Сравнивая рис.3, а) и &) нужно отметить, что при равном объеме аккумулирования на СЭС требуется большая установленная мощность, чрч нч ВЭС,

Рис. 1. Характеристики зависимостей необходимого объема энергии аккумулирования на ГАЭС от установленной мощности ВЭС или СЭС

Рис. 2. Характеристика зависимости необходимого объема энергии аккумулирования на ГАЭС от общей установленной мощности на эиергокомплексе СЭС-ВЭС при их соотношении по NycT: 0,54:0,46

ЬСО/ Глх

Рис. 3. Характеристика зависимо,-1и нзобходимого объема энергии гидроаккумулирования от соотношений установленных мощностей между СЭС и ВЭС.

Более интересная картина получена в результатах расчета 3-го варианта, т.е. при комбинировании использования солнечной и ветровой электроэнергии.

На рис. 3. показана характеристика зависимости необходимого объема энергии гидроаккумулирования от соотношений установленных мощностей между СЭС и ВЭС, при сохранении их суммарной среднегодовой выходной мощности больше на 10%, мощности потребителя. Изменение соотношений установленных мощностей между СЭС и ВЭС установлено в диапазоне от 1,0:0,0 до 0,0:1,0 (т.е. всевозможные соотношения). Необходимый объем энергии аккумулирования менялся от 56,0 и 46,6 дней (соответственно соотношениям 1,0:0,0 и 0,0:1,0) до 13,9 дней (соответственно соотношениям 0,46:0,54 между СЭС и ВЭС ). Минимум необходимого

ГАЭС

объема D меньше на 13,9 дней и находится при соотношении около 1:1 между СЭС и ВЭС. Это еще раз потверждает тот факт, что комбинированное использование солнечной и ветровой электроэнергии для обеспечения электропотребителей в изолированной системе более эффективно и рационально нежели их отдельное использование с точки зрения снижения необходимого объема энергоаккумулирования (в 3-^4 раза меньше).

Интересно отметить, что при изменении необходимого объема аккумулирования от 56,0 дней до 13,9 дней или от 46,6 дней до 13,9 дней, общая устновленная мощность в комбинированной системе из-за

СЭС ВЭС

изменения соотношения между Nycr и Nycr меняется в диапазоне от 5,893 или 5,706 МВт до 5,791 МВт, иными словами в диапазоне примерно +1,8%.

Результаты проведенного нами анализа зависимости необходимого объема аккумулирования на ГАЭС от общей установленной мощности на энергокомплексе СЭС-ВЭС при их соотношении по Nycr 0,46:0,54 (наиболее оптимальном соотношении) показаны на рис. 2. С увеличением общей установленной мощности Nyc, на 8% производится уменьшение необходимого объема аккумулирования в 5 раз.

В четвертой главе рассматривается построение математической модели энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС в условиях неопределенности. Дан анализ математических методов решения проблем оптимизации в энергетике в условиях неопределенноси. Проведены анализ и определение критерия оптимизации и , анализ ограничений и проверка закона распределения месячной выработки энергии на СЭС и ВЭС как случайных процессов. Показано, что удельная месячная выработка

электроэнергии СЭС и ВЭС подчиняется нормальному закону распределения, что позволило разработать математические модели выбора оптимальных параметров энергокомплекса СЭС-ВЭС-ГАЭС с учетом неоределенности исходной информации. Выполнены расчеты параметров с использованием стандартной программы.

Математическая модель оптимизации соотношения установленных мощностей СЭС-ВЭС в условиях неопределенности как задача стохастического программирования реализуется методом перехода к ее детерминированному эквиваленту. Детерминированный эквивалент задачи можно записать следующим образом:

= „*+/,„.)>->™п;

с , ГГ~г-Г~7 <4>

Ь^Ца^СГьХ +ст„у ;

Х,у> 0; ; = Ц2

где: 1уис , 1у,л в - удельные стоимости СЭС и ВЭС, 11Я додл./кВт;

X, У - установленные мощности на СЭС и на ВЭС, кВт\

й/о О,с > От' <7п1 ~ соответственно математические ожидания и дисперсии случайны\ ьеличи аи и а, „(удельные мощности СЭС и ВЭС);

Ь, - средняя мощность нагрузки потребителей в 1-ом месяце;

цг - КПД гидроаккумулирования;

Ца)~ квантиль нормированного нормального распределения,

соответствующий заданному уровню вероятности соблюдения ограничений о; (т.е. обеспеченности баланса средней мощности в системе в 1-ом месяце), >0 при о; > 0,5.

В этой модели а{ - обеспеченность баланса средней мощности в системе можно задавать в зависимости от требований потребителей (по месяцам).

В результате статистического анализа <арактеристик солнечной радиации и скоростей ветра нами получены коэффициенты

a le (?jc, an» <Хн< требуемые обеспеченности а в каждом месяце электроэнергии от потребителей и соответствующие квантили нормированного нормального распределения t (табл.2). Причем взято значение КПД ГАЭС п, = 0,72.

Коэффициент системы уравнений (4) Таблица 2.

Месяцы / bi кВт <*к <lie 2 <У,с '10 4 2 О.е 40 1 0/ % t

1 755 0,071 0,150 0,591 0,573 85 1,104

2 735 0,106 0,148 0,595 0,820 85 1,104

3 710 0,139 0,159 1,817 0,726 85 1,104

4 690 0,155 0,207 4,911 1,069 88 1,175

5 665 0,175 0,185 2,110 1,030 90 1,285

6 640 0,183 0,112 4,010 0,211 88 1,175

7 640 0,167 0,060 4,064 0,037 85 1,104

8 665 0,159 0,048 3,807 0,108 85 1,104

9 690 0,147 0,083 1,206 0,177 88 1,175

10 710 0,119 0,122 1,191 0,607 88 1,175

11 735 0,077 0,158 0,371 1,153 88 1,175

12 765 0.061 0,191 0,525 1,240 90 1,285

Таким образом, внося конкретные значения, д,с, <jjc,

Ца ' ^' -^уд.с • -^уд.» в системы уравнений (4), получена математическая

задача нелинейного программирования с двумя переменными X, Y. Решая эту задачу , мы использовали стандартную программу с методом MONTE CARLO INTEGER. Оптимимальные решении X* и Y* показаны в таблице 3.. Необходимый объем гидроаккумулирования D получен тем же самым методом объема-кривых Риппла на основе полученных параметров X* и Y*.

Результат расчета Таблица 3.

/уя с, и$,/кВт 1уи в, и$/кВт X*. кВт Y\ кВт PV*. мли. и$ D, День

1200 1000 13 ООО 5780 21,38 4,0

1500 1000 8550 11265 24,09 4,0

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована актуальность использования возобновляемых источников энергии в условиях Внутренней Монголии Китая и, прежде всего, ветровой и солнечной энергии.

2. В работе показано, что эффективность энергокомплекса на базе ВИЭ связана с несовпадением во времени притоков энергоресурсов и максимальным их использованием.

3. Проведен статистический анализ поступлений солнечной прямой радиации, скоростей ветра и характеристики графиков нагрузки изолированных потребителей.

4. Показана целесообразность комбинированного использования ВИЭ: необходимый объем аккумулирования при комбинированном использовании солнечной и ветровой энергии в 3-М раза меньше, чем при их отдельном использовании .

5. Произведен корреляцией),ш анализ режимов работы СЭС, ВЭС и графиков нагрузки изолированных потребителей, что позволило установить их независимость (для района Внутренней Монголии Китая).

6. Подтверждено, что месячные удельные мощности СЭС, ВЭС подчиняются нормальному закону распределения.

7. Разработан статистический метод определения параметров энергокомплекса СЭС-ВЭС при полном обеспечении электроэнергией изолированных потребитлей.

8. Разработаны математические модели энергокомплекса, позволяющие осуществлять расчеты параметров СЭС и ВЭС в условиях неопределенности при различной обеспеченности электроэнергией потребителей ( по месяцам).

9. Показана целесообразность применения статистического и стохастического методов для определения параметров комбинированного энергокомплекса на базе ВИЭ с учетом метеорологических и географических условий.

По теме диссертационной работы опубликована одна статья:

Vissarionov V. I., Wu Kuang Solar-Wind-Hydroelectric Station as an Example of Combined Application of Renewable Energy Sources (Виссарионов В.И., У Куан, Солнечно-ветро-гидроэлектростанция как пример комбинированного использования возобновляемых источников энергии)// Proceeding of the International Conference on New and Renewable Energy, June 14 - 18, 1990, international Academic Publishers, Beijing,

China, pp.768.

Подписано к печати

Печ. л. {О

ж Заказ

Типография МЭИ. Красноказарменная, 13,