автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Комплексное использование возобновляемых источников энергии для электроснабжения автономных потребителей Республики Таджикистана

На правах рукописи

/У.

005016823

С

Исмоилов Фирдавс Олимшоевич

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАНА

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степей кандидата технических наук

1 0 [ 1' г-

::::

МОСКВА - 2012

005016823

Работа выполнена на кафедре нетрадиционных и возобновляемых

источников энергии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ЗАО «Энергетические схемы и технологии»

Защита диссертации состоится 25 мая в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.157.03 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Г-200.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Виссарионов Владимир Иванович,

национальный исследовательский университет «МЭИ»

Дудченко Леонид Николаевич, ООО «ИНТЕР РАО Инжиниринг», руководитель проекта.

кандидат технических наук, доцент Рябикин Александр Васильевич, генеральный директор ООО «Альтер Инжиниринг Групп» (АИГ).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Все проблемы, существующие в мире в области энергообеспечения и энергетики в целом, не чужды и республике Таджикистан. В республике Таджикистан, где энергетика считается одной из базовых отраслей экономики, ежегодно наблюдается дефицит энергии в размере 4-5,4 млрд. кВт-ч. В стране, где 93% территории занято горами, около 70% населения проживает в сельской и горной местности. Все существующие электростанции страны ежегодно вырабатывают около 15,4-15,6 млрд. кВт-ч электроэнергии, а для нормального энергообеспечения страны необходимо 22-26 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Кроме того, энергосистема Таджикистана на 95% состоит из гидроэлектростанций (ГЭС), выработка которых сильно зависит от климатических условий. Существующая теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) в столице из-за дефицита топлива вводится в действие только при острой необходимости. Топливо для ТЭЦ экспортируется из соседних стран, и цена на него из года в год растёт. Из-за дефицита топлива все дизельные электростанции в республике, построенные ещё в советское время, давно не жсплуатируются. Единая энергетическая система, которая тоже была юстроена в советское время и позволяла своевременно устранять дефицит >нергии, была демонтирована и на сегодняшний день не существует. По 1ышеперечисленным причинам республика Таджикистан ежегодно в период с жтября по март терпит дефицит энергии. Кроме того, в Таджикистане уществуют районы, которые не связаны линией электропередач (ЛЭП) с юновной энергосистемой. Проблема нехватки энергии влечет за собой оциально-экономические проблемы, безработицу, увеличение заболеваемости, кологические проблемы (опустошение лесных массивов из-за вырубки ;еревьев с целью получения энергии) и т.д.

По этим причинам для страны весьма важна сейчас энергетическая езависимость и полное энергообеспечение населения и промышленных редприятий.

з

!

! • \

В то же время Таджикистан богат ресурсами солнечной и гидроэнергии. Самым актуальным направлением развития энергетики страны является широкомасштабное сооружение установок на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как малые гидроэлектростанции (МГЭС), солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС), ветроэнергетические установки (ВЭУ) и т.п.

Поэтому весьма актуальным является комбинированное использование ВИЭ в стране для энергообеспечения сельских и горных населённых пунктов с опорой на мировой опыт.

Актуальность темы диссертационной работы определяется наличием ежегодного дефицита электроэнергии по всей территории республики, острой необходимостью обеспечения электроэнергией сельских и горных населенных пунктов, высокими показателями потенциала солнечной и гидроэнергии в течение всего года.

Кроме того, в республике существует огромное количество малых, мини- и микро- ГЭС, которые также не способны удовлетворить потребности потребителей из-за изменчивости прихода гидравлической энергии.

В настоящее время вопрос преобразования энергии Солнца в стране носит опытно-экспериментальный характер и особого значения для энергетики страны не имеет. До сих пор отечественными ученными и экспертами не была затронута тема комплексного использования ВИЭ. Исследования, проведенные автором данной работы, являются своего рода первой ступенью к широкомасштабному использованию установок ВИЭ, и в особенности энергокомплексов на их основе.

Целью данной диссертационной работы является анализ уровня развития ВИЭ в мире и извлечение необходимого для Таджикистана опыта по широкомасштабному внедрению установок ВИЭ, изучение потенциала всех источников возобновляемой энергии страны, определение существующих барьеров на пути развития ВИЭ, выявление пути их преодоления, исследование

4

энергокомплексов на базе ВИЭ применительно к условиям страны, финансово-экономическая оценка применения ЭК в Таджикистане.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• исследовать современное состояние и перспективы развития ВИЭ в мире;

• исследовать современное состояние и перспективы развития ВИЭ в Таджикистане;

• исследовать структурные схемы энергокомплексов и выбрать наиболее подходящие для условий Таджикистана;

• исследовать проблему повышения надежности энергокомплексов на базе ВИЭ для электроснабжения автономных потребителей;

• исследовать территорию республики по потенциалам ВИЭ и провести районирование но возможности применения различных схем энергокомплексов на основе ВИЭ;

• провести финансово-экономическую оценку ЭК МГЭС-СФЭС при возможных сценариях развития энергетики республики;

Научная новизна в работе:

• в работе впервые обосновано применение ЭК МГЭС-СФЭС в республике Таджикистан как одного из путей выхода из энергетического кризиса и получения энергетической независимости;

• выполнено районирование территории Республики Таджикистан по критерию использования разных структурных схем ЭК;

• обоснована финансово-экономическая эффективность ЭК МГЭС-СФЭС в условиях республики;

•определены экономически эффективные зоны применения ЭК МГЭС-

СФЭС в условиях Республики Таджикистан.

Достоверность полученных результатов и выводов в работе

обеспечивается применением широко известных методик и подходов,

5

используемых в научных основах использования возобновляемых источников энергии, применением широко известного программного обеспечения и средств моделирования для осуществления поставленных целей.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования полученных оценок и рекомендаций специалистами Республики Таджикистан при разработке планов широкомасштабного использования ВИЭ в стране, электрификации сельских и горных населенных пунктов, плана выхода из энергетического кризиса и обеспечения энергетической независимости Республики Таджикистан.

Осиовпые положения, выносимые на защиту:

1. Современное состояние ВИЭ в мире и в Таджикистане;

2. Анализ использования ЭК для электроснабжения автономных потребителей в условия Таджикистана;

3. Районирование территории Таджикистана по применимым энергокомплексам;

4. Результаты расчета добавления СФЭС к МГЭС для условий Мургабского района;

5. Расчёт финансово-экономической эффективности применения ЭК МГЭС-СФЭС в условиях республики Таджикистан

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 -II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», VII Всероссийская научно-молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» с международным участием, МГУ, Пятая международная

Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», и других международных конференциях.

По результатам данной работы была получена награда «Почетный диплом» за лучшую научную работу на Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в рекомендованных ВАК России изданиях.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 186 наименований, четырёх приложений. Работа изложена на 169 странице основного текста, а также содержит 44 рисунка, 17 таблицу, 26 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель диссертационной работы, поставлены основные задачи, эаскрыта научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития ВИЭ в мире, рассмотрено состояние энергетики Таджикистана, 1сследовано современное состояние ВИЭ в республике, выявлены основные фоблемы энергообеспечения страны, определены барьеры на пути развития ШЭ в республике и приведён ряд рекомендаций для широкомасштабного [спользования ВИЭ в стране.

Вторая глава посвящена анализу различных схем энергокомплексов (ЭК) га базе ВИЭ, выбору наиболее рациональных для условий Таджикистана, яализ вопроса повышения надежности электроснабжения с помощью ЭК, ассмотрены системы аккумулирования энергии ВИЭ, а также проведено

районирование территории республики и определены районы, благоприятные для использования различных компоновочных схем ЭК.

В Таджикистане по значению потенциала, наличию научной и технической базы и по изученности ресурса среди всех видов ВИЭ гидравлическая и солнечная энергия считаются наиболее приемлемыми для использования. Поэтому, в данной работе при исследовании вопроса комплексного использования ВИЭ в Таджикистане приняты к изучению вышеуказанные источники ВИЭ.

Для выбора наиболее рациональных схем ЭК для условий Таджикистана были анализированы схемы, состоящие из малой гидроэлектростанции (МГЭС) и солнечной фотоэлектрической станции (СФЭС), приведенные на рис.1.

Приведенные варианты структуры энергокомплекса МГЭС-СФЭС имеют специфическую особенность, они способны работать как в автономном режиме, так и в составе крупной электроэнергетической системе.

Рис. 1 .Схемы различного исполнения энергокомплекса МГЭС-СФЭС Однако, известно, что при использовании ВИЭ возникает задача перераспределения энергии во времени, что считается одним из важнейших проблем использования ВИЭ в качестве автономного источника энергии па

сегодняшний день. Для решения этой проблемы в работе предлагается применять аккумуляторную систему.

В ходе выполненного анализа было установлено, что самым оптимальным для ЭК МГЭС-СФЭС является гидравлическое аккумулирование, которое можно осуществлять с помощью водохранилища самой МГЭС.

Аккумулятор мощностью в течение определённого периода времени г имеет емкость:

ЭAK=\NaкmSt)dt (1)

о

Одним из важных требований, предъявляемых к аккумуляторам автономных систем является то, что энергоемкость аккумулятора должна иметь регулирование и формирование частоты в системе. При решении этой задачи исходной информацией служит график потребления и генерации электроэнергии, на основе которых в каждый момент времени составляется баланс энергии в системе по выражению:

А(2)

Для автономных энергокомплексов на базе ВИЭ с аккумуляторной системой, при подстановке данных в уравнение (2) возможны следующие случаи:

1. при ДЛГ, <0, существует избыток энергии в системе:

а) при АNI>N^C+NAKI, система аккумулирования запасает энергию, равную Л^,

б) при ДЛ^ 5 + Nл,а, система аккумулирования запасает энергию, равную ДЛГ.

2. при ДЛГ, > 0, существует дефицит энергии в системе энергокомплекса:

а) при АЛ' - т]АК (Л^ - Ым°") > 0 система аккумулирования не способна полностью обеспечить потребителя, в таком случае аккумулятор расходует всю запасенную энергию до минимально допустимого уровня;

б) при AN-rj:IK(NM-N^')<0 энергокомплекс не способен полностью удовлетворять потребности в энергии, не покрытая часть нагрузки покрывается аккумуляторной системой, т.е. аккумулятор при этом способен полностью погасить дефицит энергии в автономной сети.

При подключении СФЭС к этой системе, с учетом добавленного напора, мощность МГЭС необходимо определять по выражению: Nr3C =9,81-(Я, + ДЯ;)• Q, ■ (rj, + Ar,,) (3) где Я,, ДЯг- напор МГЭС в любой момент времени и добавленный напор за счет подключения СФЭС к МГЭС, м; ß - расход воды в нижнем бьефе, м3/с; 77, Atj, - КПД МГЭС и добавленный КПД при подключении СФЭС к МГЭС, o.e.

Было выполнено районирование территории Республики Таджикистан. Районирование выполнено по двум критериям: достаточность ресурса и необходимость энергообеспечения данного региона страны. Более точное районирование территории может быть выполнено с использованием экономических расчетов, что можно осуществить в рамках отдельных проектов. Результаты районирования представлены на картах страны на рис.2 и рис. 3.

Рис.2. Возможные схемы

энергокомплексов для рис. з. Результаты районирования

применения в Таджикистане по территории Таджикистана по регионам. регионам, благоприятным для

использования энергокомплексов на базе ВИЭ.

Таблица 1

Возможные схемы энергокомплексов для применения в республике

Таджикистан

Компоновка ГЭС-СЭС сэс-вэс вэс-гэс БЭС-ГЭС БЭС-СЭС ГеоТС-ВЭС ГеоТС-ГЭС ГеоТС-СЭС СЭС-ГЭС-ВЭС

Номер на карте 1 2 3 4 5 6 7 8 9

В третьей главе рассмотрена задача определения режимов работы и оптимизации основных параметров ЭК МГЭС-СФЭС.

По результатам второй главы было выявлено, что из всех схем наиболее целесообразным оказывается применение ЭК на основе МГЭС и СФЭС, поэтому в третьей главе рассмотрена задача добавления СФЭС к уже существующим и к новостроящимся МГЭС, задачи определения режимов работы и оптимизации рассмотрены для двух случаев.

В ходе работы над третьей главой для эффективного использования солнечных панелей (СП) были определены оптимальные углы установки СП для Мургабского района и всей территории страны. Результаты

68

72°

74°

41° 40° 39° 38°

представлены па рис. 4.

Рис. 4. Оптимальные углы установки солнечных панелей в течение года по всей территории

республики.

В теоретической части 37 главы рассмотрены задачи

определения необходимого 00 /и~ "■ "*

объема водохранилища суточного ре1улирования и режима работы

з;

>

/ С

/—.____

¿26,4 26,

Ч>3 6,4°

2.6, 4°

к 25.9° 25 9°

г....... 1 Л 75 Я°

\г ; !5,!

7 чя О,—

1 оо

. 1 ; 1_

41°

40° 39°

]

38°

энергокомплекса МГЭС-СФЭС по методу, разработанному кафедрой НВИЭ МЭИ.

Для реализации рассмотренных в диссертации методик определения режимов работы и оптимизации параметров МГЭС-СФЭС на конкретном примере был выбран наиболее энергодефицитный регион страны -Мургабский район. На реке Ак-су Мургабского района предполагается сооружение МГЭС мощностью 2 МВт немецкой фирмой. Поэтому для исследования режимов работы ЭК была взята данная проектная МГЭС с водохранилищем суточного регулирования. Далее была спроектирована СФЭС с целью создания ЭК МГЭС-СФЭС и исследования режимов их работы. Результаты расчета режимов и оптимизации параметров ЭК МГЭС-СФЭС с водохранилищем суточного регулирования представлены на рис. 5.

При этом мощность СФЭС в любой момент времени должна определяться следующим выражением:

Выбор параметров мощности СФЭС должен соответствовать следующим техническим требованиям

Другим возможным критерием выбора и оптимизации параметров рассматриваемого ЭК являются экономические показатели. К основным экономическим показателям можно отнести затраты на ЭК и его рентабельность, которые связаны между собой уравнением:

W(0 = -P™n.(0-iW(0 (4)

ROM = — -100% (6)

П

где ROM -коэффициент рентабельности; П- годовая прибыль; Z- капитальные затраты.

Анализируя выражение (6), можно выделить следующие задачи

,7 • (?)

[7, => шш

Нехватку электроэнергии для каждого часа (для условий Мургабского района от 9 часов до 17 часов - время работы СП) определим по выражению:

Nrlc(t)-Nжp(0 = Nмt[,(t) (8) По полученному значению недостающей мощности определим площадь солнечных панелей, необходимых для покрытия дефицита, по выражению:

Ли*. (О

Д(0 -Псэ-П,,

(9)

где Д(0 -значение солнечной радиации в момент времени ?, кВт/м ; т]сз и т]им - КПД солнечного

Суммарная

элемента и инвертора, соответственно. Максимальное значение ^сфэсМ за промежуток времени 9-17 часов принимается как установленная площадь СФЭС.

отка

10 12 14 16 18 20 22 24

Часы суток

Рис. 5. Результаты расчета режимов и оптимизации параметров ЭК МГЭС-СФЭС с водохранилищем суточного регулирования.

Четвертая глава посвящена исследованию финансово-экономической эффективности использования энергокомплексов СФЭС-МГЭС в Республике Таджикистан.

По методикам, учитывающим фактор времени, была проведена финансово-экономическая оценка применения ЭК СФЭС-МГЭС для автономного электроснабжения в Мургабском районе Республики Таджикистан. По результатам выполненного расчета получили, что удельные капиталовложения в энергокомплекс составляют 3940 долл./кВт, себестоимость электроэнергии -7,87 цент, чистый дисконтированный доход в конце расчетного периода-0,12 млн. долл., простой срок окупаемости -9,84 лет а дисконтированный срок окупаемости 15 лет.

В Мургабском районе для сравнения экономической эффективности нет альтернативы энергокомплексу МГЭС-СФЭС. Это связанно с отсутствием дизельного топлива и большим расстоянием от энергосистемы.

Из-за малой плотности населения в горных районах и больших расстояний сооружение линий электропередач до автономных районов экономически неоправданно. Мургабский район отдален на расстояние 320 км от ближайшей возможной точки присоединения к сети Памирской энергетической компании (ПЭК). Кроме того, ЛЭП между этими точками пришлось бы сооружать в труднодоступной горной местности, что увеличивает капитальные инвестиции при малых передаваемых мощностях.

Для проведения экономического сравнения сооруженя ЭК МГЭС-СФЭС и линий электропередачи (ЛЭП) до энергосистемы, следует учитывать два возможных сценариев:

1. при нынешних существующих возможностях системы (существует дефицит энергии в энергосистеме);

2. при условиях, что Сангтудинской-2 и Рогунской ГЭС включатся в баланс энергосистемы (отсутствует дефицит энергии).

Результаты выполненного расчета сравнения финансово-экономической эффективности ЭК и сооружение ЛЭП по двум сценариям приведены в табл. 2.

Из результатов расчёта видно, что сооружение ЭК СФЭС-МГЭС является намного эффективнее, присоединение к энергосистемы с помощью ЛЭП.

По данным фирмы 8Ьахр (ведущая японская фирма по производству солнечных элементов), стоимость фотоэлементов до 2020 года снизится в 4 раза, а до 2030 года в 8 раз. С учетом такого прогноза изменения цен на фотоэлементы был выполнен расчет изменения основных финансово-экономических показателей ЭК МГЭС-СФЭС, результаты расчета в виде графиков показаны на рис. 6.

Таблица 2

Сравнение основных показателей эффективности вариантов

Показатель эффективности ЭК МГЭС-СФЭС ЛЭП (1-я сценарий) ЛЭП (2-я сценарий)

Простой срок окупаемости, лет 9,84 19 14

Дисконтированный срок окупаемости, лет 15 21 18

Себестоимость электроэнергии, цент/кВт-час 7,87 60 27,2

Срок окупаемости, как один из основных показателей эконмической

эффективности ЭК, тесно связан со стоимостью реализуемой

электрической энергии от ЭК. Цена на электроэнергию имеет

возрастающую тенденцию в стране. Кроме того, при вступлении

Таджикистана во Всемирную Торговую Организацию (ВТО) цены на

электроэнергию увеличатся в 1,5-2 раза. Поэтому также был выполнен

расчет изменения срока окупаемости ЭК СФЭС-МГЭС в зависимости от

стоимости реализуемой электроэнергии. Для определения экономически

15

эффективных зон сооружения ЭК МГЭС-СФЭС с помощью методик, учитывающих фактор времени, был проведен расчет для ЭК разных мощностей для двух возможных сценариях:

1. при условии, что Таджикистан вступит в ВТО;

2. при нынешних условиях.

Результаты расчета приведены в виде графиков на рис. 7.

—«-Суммарные капитальные мтрвпэ я» ЭК МЛЭОСФЭС, ' —*'>- ГГргюгой пецто окупаемости, лет млн- —Дн'сконтирсмшия оро* окупаемости, лет

нынешних условиях.

40 80 120 160 200 240 280 320

Расстояние до энергосистемы, км

„ , „ Рис. 7. Кривая зависимость

Рис.6 Зависимость основных

, минимального экономического

финансово-экономических

показателей ЭК МГЭС-СФЭС от Р™™™ места сооружения

ЭК от его мощности.

изменения цен на

фотоэлектрические элементы.

Полученный график дает возможность без расчета предварительно

оценить финансово-экономическую эффективность энергетического

комплекса на основе гидравлической и солнечной энергии.

Результат, показанный на рис. 7, является продолжением задачи

районирования территории страны для схемы 1 (рис. 3-4 и табл.1).

Полученные результаты финансово-экономических расчетов

показывают, что ЭК СФЭС-МГЭС вполне могут стать экономически

эффективными объектами энергетики страны и при существующих

условиях в Таджикистане.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. Исследовано современное состояние энергетики Таджикистана, выявлены основные проблемы, присущие энергетике республики, а также выполнен анализ потенциала возобновляемых источников энергии;

2. На фоне существующих серьезных энергетических проблем в стране обосновано использование возобновляемых источников энергии, дана приоритетная оценка использованию ВИЭ в Таджикистане, а также выявлены барьеры, тормозящие развитие использования ВИЭ в Таджикистане, намечены пути преодоления этих барьеров;

3. Наиболее остро дефицит электроэнергии в стране ощущается в сельских и горных местностях, и для электроснабжения этих районов выполнен анализ существующих известных структурных схем ЭК на базе ВИЭ и в качестве рационального варианта выбран ЭК на основе гидро- и солнечной энергии;

4. По всей территории Таджикистана анализирована возможность применения разных видов ЭК, и в результате выполнено районирование территории республики по критерию применимых энергокомплексов по техническим показателям и степени необходимости в энергообеспечении;

5. Для эффективного применения солнечных установок по всей территории страны вычислены оптимальные углы наклона солнечных панелей в течение года;

6. По методикам, учитывающим фактор времени, выполнена финансово-экономическая оценка ЭК в выбранном регионе при двух возможных сценариях развития энергетики страны. По результатам расчетов был получен некоторый финансово-экономический эффект, позволяющий принимать исследовавшийся энергокомплекс к

17

дальнейшему изучению и сооружению, а также в рамках финансово-экономических расчетов выявлены зоны, где строительство принесут прибыл, т.е. определены зоны, где применение энергокомплексов экономически выгодно.

Основные положения работы отражены в следующих работах:

1. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И /Анализ современного состояния энергетики Таджикистана; Моск. Энерг.ин-т (ТУ). -М., 2009.

- 29с. ил. -Рус.-Деп. В ВИНИТИ.

2. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И. Современное состояние энергетики Таджикистана./ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Шестая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 3 т. Т. 3.

- М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с. 443-444.

3. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И. Применение энергокомплексов на базе ВИЭ для обеспечения надежного электроснабжения автономных потребителей. /Возобновляемые источники энергии: Материалы седьмой Всероссийской научной молодежной школы с международным участием - М.: МИРОС, 2010. с.179-183.

4. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И. Исследование режимов работы энергокомплекса малой ГЭС и солнечной Электростанции./Всероссийская выставка Научно-технического творчества молодежи/П-Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу основанному на знаниях»: Сборник научных докладов/Мос.гос.строит. ун-т - М. МГСУ, 2010, с.392-393.

5. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И. Способы

аккумулирования энергии в энергокомплексе на базе ВИЭ и

18

определение аккумулирующей емкости./Энергосбережение - теория и практика: труды Пятой Международной школы-семинара молодых ученных и специалистов (18-22 октября 2010 г., Москва). - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с.336-340.

6. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И. Математическая модель СФЭУ, реализованная в среде Маг1аЬ./ Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб.докладов III Международной научно-практической конференции/ГОУ ВПО Моск.гос.строит.ун-т. - М.: МГСУ, 2011 .с. 478-481.

7. Исмоилов Ф. О., Давроншоев Ш. Р., Ашуров А. Возможные схемы энергокомплекса СЭС-ГЭС и выбор оптимального варианта в условиях Таджикистана./ Материалы У-й международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ» Материалы конференции. Издание Таджикского технического университета имени академика М. С. Осими, Душанбе 2011.-с. И 0-114.

8. Исмоилов Ф. И., Виссарионов В. И., Давроншоев Ш. Р., Кабутов З.К. Моделирование солнечной фотоэлектрической станции. /Вестник ТТУ. 2011, №4(16), с.23-28.

9. Исмоилов Ф. О., Виссарионов В. И., Давроншоев Ш. Р. Гарантированное электроснабжение автономных потребителей энергокомплексом на базе возобновляемых источников энергии/Вестник ТТУ. 2012, №1(17), с.47-52.

Подписано в печать (9.Зак. Тир. №0 П.л.

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2618

Национальный Исследовательский университет Московский энергетический институт

На правах рукописи

Исмоилов Фирдавс Олимшоевич

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАНА

Специальность: 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых

видов энергии.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В. И. Виссарионов

МОСКВА-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГЕТИКИ ТАДЖИКИСТАНА НА БАЗЕ НВИЭ........................13

1.1. Современное состояние и перспективы развития энергетики в мире...............13

1.1.1. Производство и потребление энергии в мире.............................................13

1.1.2. Состояние и перспективы использования солнечной энергии в мире.......16

1.1.3. Состояние и перспективы использования ветровой энергетики в мире.... 18

1.1.4. Состояние и перспективы использования гидроэнергетики в мире...........21

1.1.5. Состояние и перспективы использования геотермальной энергии в мире 24

1.1.6. Состояние и перспективы использования энергия биомассы в мире........26

1.2. Современное состояние энергетики Таджикистана..............................................29

1.2.1. Ископаемое топливо.........................................................................................30

1.2.2. Проблемы энергообеспечения.........................................................................33

1.2.3. Перспективы, намеченные в энергетике.........................................................36

1.2.4. Проблемы, стоящие перед энергетикой Таджикистана..................................38

1.2.5. Последствия присоединения к ВТО для энергетики Таджикистана..............40

1.3. Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии.......................................42

1.3.1. Водные ресурсы и гидроэнергетика................................................................42

1.3.2. Оценка потенциала малой гидроэнергетики...................................................44

1.3.3. Оценка потенциала солнечной энергии..........................................................47

1.3.4. Оценка потенциала энергии ветра...................................................................49

1.3.5. Оценка потенциала геотермальной энергии...................................................51

1.3.6.0ценка потенциала энергии биомассы.............................................................53

1.3.7. Экологические проблемы энергетики.............................................................54

1.3.8. Проблемы использования возобновляемой энергетики и пути их решения . 55 Выводы по первой главе и постановка исследовательской задачи.........................58

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ...............................................................................................60

2.1. Постановка задачи..................................................................................................60

2.2. Классификация и основные структурные схемы энергокомплексов на базе ВИЭ ........................................................................................................................................63

2.3. Основные способы аккумулирования энергии в энергокомплексах....................67

2.4. Обобщенная математическая модель аккумуляторной системы, применяемая в энергокомплексах на базе ВИЭ.....................................................................................73

2.5. Районирование территории республики Таджикистана по критерию комплексного и индивидуального использования источников возобновляемой энергии...........................................................................................................................78

2.6. Перспективы использования энергокомплексов на базе ВИЭ в Таджикистане... 85

Выводы по второй главе

86

ГЛАВА 3. ЭНЕРГОКОМПЛЕКС ФЭС-ГЭС. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА ФЭС-ГЭС...............88

3.1. Постановка задачи..................................................................................................88

3.2. Определение некоторых энергетических параметров солнечной и гидравлической энергии в Мургабском районе...........................................................91

3.3. Методика определения режимов работы и параметров энергокомплекса МГЭС-СФЭС...........................................................................................................................100

3.4. Определение объема аккумуляторной системы энергокомплекса МГЭС-СФЭС применительно к условиям Таджикистана.................................................................103

3.5. Оптимизация параметров энергокомплекса МГЭС-СФЭС в условиях Таджикистана...............................................................................................................107

3.6. Допущения и пример расчета определение режимов работы, объема аккумулирующей емкости водохранилища и оптимизационных параметров ЭК

МГЭС-СФЭС в условиях Таджикистана на примере Мургабского района..............113

Выводы по третьей главе.............................................................................................121

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА ФЭС-ГЭС.................................................................................123

4.1. Постановка задачи................................................................................................123

4.2. Определение экономической эффективности энергокомплекса МГЭС-СФЭС. 124 4.3 Финансово-экономическая эффективность энергокомплекса МГЭС-СФЭС и

критерии выбора оптимального варианта..................................................................125

4.4. Расчет экономической эффективности энергокомплекса МГЭС-СФЭС............137

Выводы по четвертой главе..................................... ....................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................150

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................................187

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЯ 4............................................................................................................192

ВВЕДЕНИЕ

Энергия, как один из самых необходимых продуктов для жизнедеятельности человечества, имеет стремительно повышающуюся тенденцию потребления. Из года в год потребляется все больше и больше энергии, например, в 2010 году на планете было потреблено рекордное количество энергии за всю историю человечества. Энергия, которую мы получаем в настоящее время - это в основном энергия ископаемого (нефть, уголь, газ и подобные горючие), и ядерного (уран) топлива, которые принято относить к традиционным источникам энергии. Однако известно, что традиционные источники энергии не возобновляются за короткое время, а их количество из года в год сокращается. По данным специалистов общих запасов нефти в природе приблизительно хватит еще на 70-80 лет, угля на 200 лет и урана на 100 лет. Полное истощение этих ресурсов будет иметь устрашающие последствия для всего человечества, если к тому времени не найти альтернативный вариант добычи энергии.

Альтернативой в данном случае могут служить возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые имеют неоспоримые преимущества перед не возобновляемыми источниками энергии. Возобновляемые источники энергии неистощимы, имеют огромный потенциал на планете, наносят относительно меньший вред экологии и человечеству, к ним возможен более широкий доступ во всем мире. Однако наряду с достоинствами ВИЭ имеют целый ряд недостатков, которые тормозят их крупномасштабное использование. В последнее время вопрос необходимости повсеместного и широкомасштабного использования возобновляемых источников энергии звучит и упоминается в самых разных серьезных программах, публикациях, во всем мире огромное количество ученых работают над проблемой, практически во всех странах ведутся исследования в этом направлении. К недостаткам использования

ВИЭ относятся их малая удельная мощность на поверхности Земли и вероятностный характер их поступления. Перечисленные недостатки являются основными проблемами возобновляемой энергетики во всем мире.

За последние два десятилетия учеными всего мира многократно была снижена стоимость установок ВИЭ, повышена их надежность и эффективность. Но, несмотря на это, во многих местах они еще неконкурентоспособны по отношению к традиционным невозобновляемым источникам энергии. Как уже было отмечено, одним из главных недостатков ВИЭ является стохастичность их прихода, которая объясняется их природой. Стохастичность прихода ВИЭ вызывает несовпадение во времени процессов производства и потребления энергии. Для решения этой проблемы в последние годы было предложено комплексное использование нескольких видов ВИЭ, которые могли бы дополнить друг друга во время низкого поступления энергии.

Совместное использование осуществляется в энергетических комплексах - объединении двух или более источников энергии.

Все проблемы, существующие в мире в области энергообеспечения и энергетики в целом не чужды и республике Таджикистан. В республике Таджикистан, где энергетика считается одной из базовых отраслей экономики, ежегодно наблюдается дефицит энергии в размере 4-5,4 млрд. кВт-ч. В стране, где 93% территории - горы, около 70% население проживает в сельской и горной местности. Все существующие электростанции страны ежегодно вырабатывают около 15,4-15,6 млрд. кВт-ч электроэнергии, а для нормального энергообеспечения стране необходимо 22-26 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Кроме того, энергосистема Таджикистана на 95% состоит из ГЭС, выработка которых сильно зависит от климатических условий. Существующая ТЭЦ в столице вводится в действие при острой необходимости из-за дефицита топлива. Топливо для ТЭЦ экспортируется из соседних стран, и цена на него из года

в год растет. Из-за дефицита топлива все дизельные электростанции в республике, построенные в советское время, давно не эксплуатируются. Единая энергетическая система, которая тоже была построена в советское время, и позволяла своевременно сбалансировать дефицит энергии, была демонтирована и на сегодняшний день не существует. По вышеперечисленным причинам республика Таджикистан ежегодно в период с октября по март терпит дефицит энергии. Кроме того, в Таджикистане существуют районы, которые не имеют связи с основной энергосистемой. Проблема нехватки энергии влечет за собой социально-экономические проблемы, безработицу, увеличение заболеваемости, экологические проблемы (опустошение лесных массивов из-за вырубки деревьев с целью получения энергии) и т.д.

По этим причинам для страны весьма важны сейчас энергетическая независимость и полное энергообеспечение населения и промышленных предприятий.

Таджикистан богат ресурсами гидроэнергии и солнечной энергии. Самым актуальным направлением развития энергетики страны является широкомасштабное сооружение установок на базе ВИЭ: малых гидроэлектростанций (МГЭС), солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС), ветряных электростанций (ВЭС) и т.п.

Поэтому для энергообеспечения сельских и горных населённых пунктов весьма актуальным является комбинированное использование ВИЭ на базе мирового опыта.

Актуальность темы диссертационной работы определяется наличием ежегодного дефицита электроэнергии по всей территории республики, острая необходимость обеспечения электроэнергией сельских и горных населенных пунктов, высокие показатели потенциала солнечной и гидроэнергии в течение года.

По оценкам прошлых лет потенциалы солнечной и гидравлической энергии имеют высокие показатели практически на всей территории страны.

Кроме того, в республике существует огромное количество малых, мини и микро- ГЭС, которые также не способны обеспечивать энергией потребителей из-за изменчивости потенциала водной энергии.

Однако по теме использования возобновляемых источников энергии в республике Таджикистан существует больше вопросов, чем ответов. Это связано с тем, что в стране не велись серьезные работы и исследования для изучения подобных аспектов энергетики.

В настоящее время вопрос использования энергии Солнца в стране носит опытно-экспериментального характера и глобального значения для энергетики страны они не носят. Никогда еще до сих пор отечественными ученными и экспертами не затрагивалась тема комплексного использования ВИЭ. Исследование, проведенное автором данной работы, является своего рода первой ступенью к широкомасштабному использованию установок ВИЭ, и в особенности энергокомплексов на их основе.

Целью данной диссертационной работы является анализ уровня развитая ВИЭ в мире и извлечение необходимого для Таджикистана опыта по широкомасштабному внедрению установок ВИЭ, изучение потенциала всех источников возобновляемой энергии страны, определение существующих барьеров, мешающих развитию ВИЭ в стране и определение пути их преодоления, исследование энергокомплексов на базе ВИЭ применительно к условиям страны, финансово-экономическая оценка применения ЭК в Таджикистане.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• исследовать современное состояние и перспективы развития ВИЭ в мире;

• исследовать современное состояние и перспективы развития ВИЭ в Таджикистане;

• исследовать компоновочных решений известных схем энергокомплексов и выбрать наиболее подходящие для условий Таджикистана;

• исследовать проблему повышения надежности энергокомплексов на базе ВИЭ для электроснабжения автономных потребителей;

• исследовать территорию республики по потенциалам ВИЭ и провести районирование по возможности применения различных схем энергокомплексов на основе ВИЭ;

• обосновать эффективность применения энергокомплексов на базе ВИЭ в Таджикистане;

• создать модель ЭК МГЭС-СФЭС в среде ЭВМ;

• провести финансово-экономическую оценку ЭК МГЭС-СФЭС при возможных сценариях развития энергетики республики;

• определить экономические зоны применения ЭК МГЭС-СФЭС в условиях Таджикистана.

Методы и средства выполнения исследований. Все исследования в данной работе осуществлялись по единому плану, который включал постановку исследуемой задачи, разработку подходов расчета исследуемой задачи и ее реализации с помощью ЭВМ. Во время исследования применялись методы математического моделирования, численные методы решения задач и методы финансово-экономической оценки проекта.

Научная новизна в работе:

• в работе впервые обосновано применение ЭК МГЭС-СФЭС в республике Таджикистан как одного из путей выхода из энергетического кризиса и получения энергетической независимости;

• выполнено районирование территории республики Таджикистан по критерию использования разных структурных схем ЭК;

• обоснована финансово-экономическая эффективность ЭК МГЭС-СФЭС в условиях республики;

• определены экономически эффективные зоны применения ЭК МГЭС-СФЭС в условиях республики Таджикистан.

Достоверность полученных результатов и выводов в работе обеспечивается применением широко известных методик и подходов, используемых в научных основах использования возобновляемых источников энергии, применением общепризнанных средств моделирования для осуществлений поставленных целей.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования полученных оценок и рекомендаций специалистами Республики Таджикистан при разработке планов широкомасштабного использования ВИЭ в стране, электрификации сельских и горных населенных пунктов, плана выхода из энергетического кризиса и обеспечения энергетической независимости Республики Таджикистан.

В результате проделанной работы были определены основные положения использования ВИЭ в стране и выявлены факторы, препятствующие развитию ВИЭ в Таджикистане, исследованы потенциал и возможности ВИЭ по регионам и рекомендованы наиболее благоприятные с технической точки зрения структурные решения ЭК для всех регионов страны, разработана методика оптимизации параметров ЭК в условиях страны, что может быть использовано при проектировании, а также в дальнейших исследованиях, исследованы и рекомендованы наиболее подходящие методы для расчета финансово-экономической эффективности ЭК в Таджикистане, определены экономические радиусы

сооружения ЭК МГЭС-СФЭС, позволяющие без расчета определить приемлемость сооружения ЭК в республике Таджикистан.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА»; X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 -II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях»; VII Всероссийской научно-молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» с международным участием, МГУ, Пятой международной Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» и других международных конференциях.

По результатам данной работы была получена награда «По