автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Оценка параметров и эффективности ветрогидроэнергетических комплексов с учетом надежности электроснабжения потребителей

На правах рукописи

РЫНКОВ Максим Александрович

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРО-ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Иркутск - 2013 г.

005057411

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: Ковалев Геннадий Федорович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Колосок Ирина Николаевна

доктор технических наук, ФГБУН Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.

Мельниченко Олег Валерьевич

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», доцент кафедры ЭПС.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сель-

скохозяйственная академия», г. Иркутск.

Защита состоится 7 мая 2013 года в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при ФГБУН Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, к. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на авторефераты в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря ученого совета.

Автореферат разослан апреля 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 003.017.01 Доктор технических наук, профессор

А. М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Использование энергии ветра пол; ло широкое распространение и в наибольшей степени реализовано сегодня и продолжает получать развитие в таких странах как Китай, США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и др. Сформировалась новая отрасль промышленности - ветроэнергетическое машиностроение. Энергия ветра используется как в установках малой мощности для покрытия нагрузки небольших потребителей, так и для электроснабжения крупных объектов. Кроме отдельных ветроэлектростанций (ВЭС) мегаваттного класса, разрабатываются проекты по связанным в общую сеть ВЭС.

Большие заслуги в создании основ отечественной ветроэнергетики имеют советские ученые и специалисты Н. В. Красовский, Г. X. Сабинин, Е. М. Фатеев, Р. В. Секторов, К. П. Вашкевич, В. В. Сидоров и др., разработанные теоретические положения и практические навыки которых вошли в большинство методов при становлении зарубежной ветроэнергетики.

Продолжателями основоположников российской ветроэнергетики являются авторы множества трудов и монографий П. П. Безруких, В. Г. Николаев, В. П. Харитонов и др.

Весомый вклад по изучению и опытному освоению альтернативных источников энергии и ветроэнергетики, в частности, принадлежит специалистам института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева. Среди сотрудников института проблемам использования возобновляемых ресурсов посвятили свои труды такие специалисты как А. А. Кошелев, И. Ю. Иванова, Т. Ф. Тугузова, О. В. Марченко, В. А. Савельев, Т. В. Бережных и др.

В отличие от технически более освоенных вариантов генерации электроэнергии, в ветроэнергетике наблюдаются существенные сдерживающие моменты. Самый весомый и определяющий наиболее сложную проблему в области использования ветроэнергетических установок фактор - это процесс обеспечения бесперебойного покрытия требуемого потребления генерируемой ветром электроэнергией при существенно отличающемся режиме её выработки от графика нагрузки потребителей, с учетом периодов отсутствия ветра или его неэффективной скорости.

На сегодняшний день для решения этих задач применяется способ дублирования мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ), посредством использования дополнительных неветровых электростанций (дизельных (ДЭС), газотурбинных (ГТЭС) и т.п.), компенсирующих периоды простоя ВЭУ.

Кроме способа дублирования мощности ВЭУ, для решения проблемы простоя ветроагрегатов существуют различные способы аккумулирования энергии, производимой ветроустановками, с последующим ее использованием в соответствии с необходимыми требованиями. При этом к наиболее востребованным и распространенным способам компенсации простоев ВЭУ относятся электрохимическое аккумулирование и дублирование мощности при помощи ДЭС.

В данной работе рассматривается ветрогидроэнергетический комплекс (ВГЭК) для электроснабжения потребителей, расположенных в отдаленных районах с рельефно-климатическими характеристиками, удовлетворяющими

требованиям для реализации ВГЭК. В составе рассматриваемого комплекса предполагается использование водохранилища, наполняемого с помощью ветровых установок. При этом разделяются два процесса - использование энергии ветра в периоды эффективной ветровой активности для заполнения водохранилища и процесс расхода воды гидроагрегатами ГЭС, работающими для покрытия требуемого электропотребления, независимо от периодичности и интенсивности ветрового режима в данном районе.

Идея гидравлического аккумулирования ветровой энергии не является новой. Однако, в связи с тем, что не найдено обобщенных методов определения параметров таких вариантов использования энергии ветра как ВГЭК или подобных комплексов электроснабжения, применяемых в различных природно-климатических районах, а существующие способы использования энергии ветра экономически не всегда оправданы, данную задачу следует считать актуальной. Это подтверждается и принятыми положениями в основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года, утвержденными распоряжением Правительства РФ от 8 января 2009 г. № 1-р.

Цель работы:

- разработать методику, позволяющую по заданным электропотреблению и требованиям надежности электроснабжения определить рациональные параметры ВГЭК, выполнить оценку эффективности и возможности использования рассматриваемого комплекса.

Задачи работы:

- обоснование варианта диверсификации систем на базе применения возобновляемых источников энергии при комплексном использовании ветровых и гидравлических ресурсов;

- основываясь на идее гидравлического аккумулирования энергии ветра сформулировать принципиальную схему рассматриваемого комплекса и порядок решения задач по определению его параметров и оценке эффективности;

- апробация методики на примерах.

Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в рамках гранта № НШ-1507.2012.8 «Разработка теории, моделей и методов обоснования развития и управления функционированием структурно неоднородных электроэнергетических систем в рыночных условиях».

Методы выполнения исследований. При исследовании применялись фундаментальные положения теории вероятностей, математической статистики, теории надежности, методы комплексного подхода к решению системных задач, информационные технологии.

Объект исследования.

Объектом исследования в данной работе являются комплексы и системы электроснабжения на основе использования ветровых и гидравлических ресурсов.

Предмет исследования:

Эффективность и надежность электроснабжения удаленных энергорайонов на основе комплексного применения установок, использующих энергию ветра.

Научная новизна проводимых исследований заключается в следующем:

1. Применен комплексный подход к проблеме использования возобновляемой энергии ветра при помощи гидроаккумулирования для целей надежного и качественного электроснабжения с учетом возможности использования ВГЭК для других хозяйственных нужд потребителей.

2. Разработана методика взаимосвязанного определения параметров узлов, составляющих ВГЭК.

3. Учтен фактор надежности при определении количества и единичной мощности элементов, составляющих узлы исследуемого комплекса.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.01 — «Энергетические системы и комплексы».

Соответствие формуле специальности: в диссертационном исследовании разработана методика оценки эффективности ветрогидроэнергетического комплекса, предназначенного для электроснабжения децентрализованного потребителя как вариант диверсификации возобновляемых источников энергии. Разработанная методика может использоваться как расчетное средство для оценки эффективности применения рассматриваемого комплекса, что соответствует формуле специальности 05.14.01, в рамках которой, на основе системного подхода, совершенствуются существующие энергетические системы, прорабатываются перспективные структуры энергетических систем и комплексов, разрабатываются новые методы исследования и оценки качества энергетических систем и комплексов с целью повышения их экономичности, надежности, безопасности и снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Соответствие области исследования специальности: отраженные в диссертационной работе положения соответствуют п.п. 1,2, 5, 6 области исследования по разработке принципов функционирования энергетических комплексов, исследованию нетрадиционных источников энергии в энергетических системах и комплексах, исследованию в области ресурсосбережения при производстве электроэнергии в энергетических системах и комплексах, исследованию влияния технических решений, принимаемых при создании и эксплуатации энергетических систем и комплексов, на их финансово-экономические и инвестиционные показатели, региональную экономику и экономику природопользования.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование комплексного подхода к применению ВГЭК;

- методика взаимосвязанного определения параметров ВГЭК;

- методика обеспечения надежности составляющих ВГЭК узлов, гарантирующих надежное электроснабжение потребителей;

- упрощенная (предпроектная) оценка параметров и эффективности ВГЭК в сравнении с другими возможными ВЭУ для целей электроснабжения.

Практическая значимость. Методика может использоваться как расчетное средство для предпроектной оценки эффективности применения предлагаемого комплекса. Использование результатов работы будет способствовать повышению качества принимаемых решений по применению технических средств электроснабжения потребителей на основе использования ветро- и гидроресурсов заданного района с учетом фактора надежности.

Апробация результатов работы и публикации.

Результаты работы по теме диссертации были представлены и вошли в сборники докладов и трудов ежегодной конференции молодых ученых ИСЭМ СО РАН по системным исследованиям в энергетике (Иркутск, 2009 - 2012); межвузовской молодежной научно-практической конференции «Социально-экономическое развитие Приангарья: состояние, проблемы перспективы" (Иркутск, 2009); международного научного семинара им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики» (Баку, 2012).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, показана научная новизна работы, определены основные положения, выносимые на защиту, кратко охарактеризована её структура.

В первой главе диссертации приводится обзор и общая характеристика современного состояния энергетики, использующей возобновляемые источники энергии. Рассматриваются перспективы и проблемы ветроэнергетики. Рассмотрены различные принципы работы ВЭУ. Выполнен сравнительный анализ способов аккумулирования энергии ветра и их роль в диверсификации источников распределенной генерации.

Аккумулирующие устройства различных типов применяются для реализации задач взаимоувязки графиков производства и потребления электроэнергии и повышения эффективности использования энергии ветра.

При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, производимой ветроустановками, должны приниматься во внимание такие характеристики как: относительные размеры, удельные затраты, длительность хранения энергии, допустимый объем сохраняемой энергии, сложность энергетических преобразований, простота и безопасность обслуживания и т.п.

Таким образом, можно отметить некоторые отличительные особенности аккумулирующих систем, акцентируя внимание на преимущественных областях применения.

Тепловой аккумулятор в конструктивном плане - сооружение относительно примитивное и не требует значительных капитальных затрат на его реализацию. Однако к недостаткам данного типа аккумулирования относится то, что запасенная теплота является энергией относительно низкого качества и перевод ее в другой вид энергии связан с большими потерями. Поэтому обычно в теп-

ловую переводят «бросовую» энергию слабых ветров, которую нельзя преобразовать в качественную электроэнергию.

По сравнению с тепловыми аккумуляторами, электрические имеют намного больший КПД и широко используются в электроустановках различного типа, в частности в ветроэнергетике. Однако их применение ограничено относительно высокой стоимостью, необходимостью постоянного квалифицированного обслуживания и отведения больших площадей для их размещения. В связи с этим данный тип аккумуляторов применяется преимущественно в локальных ветроустановках для электроснабжения потребителей с невысокой нагрузкой (в пределах 100 кВт). Кроме того, электрические аккумуляторы работают только на постоянном токе. Поэтому в сетях переменного тока перед зарядкой переменный ток преобразовывают в постоянный, а при разрядке постоянный ток аккумулятора трансформируется в переменный ток сети. Такое двойное преобразование снижает коэффициент полезного действия системы электроснабжения и, соответственно, увеличивает капитальные затраты.

Большие надежды в области альтернативной энергетики возлагают на использование водородных систем, преимущества которых создают приоритетную перспективу их использования по сравнению с другими видами генерации и аккумулирования электроэнергии. Однако, при использовании водорода возникает целый ряд проблем, требующих решения: получение водорода; хранение и транспортировка водорода; создание водородной инфраструктуры. Следствием этого является дороговизна производства и низкая рентабельность водородных технологий.

Пневматические аккумуляторы, как и тепловые, сравнительно просты по конструкции, что делает их привлекательными для локальных систем. Однако и здесь проявляется проблема низкого КПД на единицу массы устройства. Работа расширения воздуха в двигателе составляет не более 60 % от работы, затраченной на сжатие этого воздуха в компрессоре. Вес аккумулятора сжатого воздуха, независимо от степени его сжатия, равен около 18 кг на 1 кг воздуха. В связи с этим, пневматические аккумуляторы, как и механические, могут быть применены только в качестве буферных.

В аккумулирующих системах с применением супермаховиков возможно запасать больше энергии на единицу массы, чем во всех остальных рассмотренных системах. При этом, несмотря на применение новых технологий супермаховиков, мощность единичного модуля, с точки зрения промышленной энергетики, не велика. Так, номинальная мощность супермаховикового накопителя модели Епе^у-25 - 100 кВт с объемом накапливаемой энергии 25 кВт-ч. Инерционные аккумуляторы представляют собой достаточно громоздкие и металлоемкие системы с низким КПД. Также причиной металлоемких решений для данного типа аккумуляторов является необходимость размещения маховика в герметичном кожухе вследствие высоких потерь на трение воздуха. Таким образом, если говорить об использовании таких систем для ветровых установок, учитывая соотношение требуемой массы маховика и возможной мощности ВЭУ, то они могут использоваться только в качестве буферных для гашения периодических коротких колебаний ветрового режима.

С учетом достоинств и недостатков различных систем аккумулирования представляются наиболее целесообразные сферы применения для каждой из них.

Принцип гидравлического аккумулирования используется в соответствующих ГАЭС как за рубежом, так и в России. В Португалии и Германии есть примеры системных ГАЭС, обратимые гидроагрегаты, которых, кроме электроэнергии из ЭЭС, получают питание и от ветровых электростанций. Это позволяет повысить гибкость и маневренность функционирования системы ГАЭС.

Гидравлическое аккумулирование в составе ВГЭК позволяет реализовать соизмеримость мощности и количества запасаемой энергии, обеспечивает предельно простое преобразование кинетической энергии ветра в потенциальную энергию воды. При этом комплекс характеризуется относительной простотой конструкции и относительно низкой стоимостью в сравнении с другими накопителями энергии той же производительности.

Следует отметить, что в отечественных публикациях полностью отсутствуют сведения о конструкциях, методах проектирования и расчета параметров комплексов, преобразующих энергию ветра с применением способа гидравлического аккумулирования и последующей выработкой электроэнергии на ГЭС.

Во второй главе приводится характеристика ВГЭК с учетом его достоинств и недостатков по сравнению с другими ветроэнергетическими установками. Обосновывается целесообразность применения ВГЭК в определенных условиях. Формулируется и приводится последовательность выполнения расчетов при изложении методики определения параметров ВГЭК с учетом необходимой оценки надежности узла генерации и узла наполнения водохранилища. Предлагаются принципы технико-экономического сравнения ВГЭК с уже использующимися на практике ветроэнергетическими установками. Принципиальная схема ВГЭК представлена на рис. 1.

1 ВГЭК 2 3

Ветронасосы —> В одохрашшпце ГЭС

ЭЭС

Т"

4

Локальная распределительная сеть

/К

Потребители

Рис. 1. Принципиальная схема ВГЭК и его сопряжения с системой электроснабжения района.

Его основными узлами являются:

Узел заполнения водохранилища - ветронасосные агрегаты. Узел аккумулирования энергии - резервуар (водохранилище). Узел генерации - гидроэлектростанция (ГЭС).

Идея ВГЭК не является оригинальной. Однако обращение к данной теме связано с обстоятельствами, которые становятся актуальными на современном этапе.

Отличием ВГЭК является его принципиальная простота и устойчивость по сравнению с другими конструкциями ветроэнергетических установок (ВЭУ), вынужденных для обеспечения своей работоспособности применять дорогостоящие устройства по управлению ими в режимах ЭЭС. Несложная схема преобразования энергии, осуществляемого ВГЭК, существенно упрощает управление им и позволяет обеспечить повышенную надежность.

Суть предлагаемого способа заключается в том, что энергия ветра, являясь первичным источником энергии при работе ВГЭК, используется для наполнения водохранилища, которое является энергоаккумулирующим звеном при производстве электроэнергии.

Главное преимущество ВГЭК заключается в совмещении достоинств ВЭУ и идеи гидравлического аккумулирования энергии ветра. При этом исключается основной недостаток ветроэнергетики - несоответствие непредсказуемых случайных колебаний скорости ветра режиму электропотребления в процессе использования его энергии. Это отличает ВГЭК от аналогичных установок, где энергия ветра используется непосредственно для выработки электроэнергии при покрытии нагрузки, а также заряда аккумуляторной батареи, дублируется дизельными (ДЭС) или газотурбинными (ГТЭС) электростанциями.

В сравнении с другими ВЭУ данная установка обладает следующими достоинствами:

1. Разрабатываемый по такой схеме ВГЭК, позволяет «развязать» и рассматривать раздельно два случайных некоррелируемых процесса:

- использование энергии ветра для целей электроснабжения при любом режиме ветровой деятельности;

- надежное (бесперебойное) покрытие нагрузки потребителей электроэнергией высокого качества независимо от наличия или отсутствия ветра в любой момент времени.

2. Применение относительно простых (а, следовательно, дешевых и надежных) ветросиловых установок, вплоть до ветронасосов («ветряков») с механической передачей силы ветра к гидронасосу.

3. Применение в качестве накопителя энергии водохранилища, более экологичного и более простого, чем такой же производительности электроаккумуляторные батареи, сжатый воздух, водород и т.п., а также резервных (замещающих) дизельных агрегатов с запасами дизельного топлива или газотурбинные установки.

4. Комплексное использование водохранилища с учетом других хозяйственных целей: в качестве резервуара водопроводной воды для ближайших населенных пунктов и производств, водопоев, рыбоводства и птицеводства, орошения сельскохозяйственных земель, рекреационных нужд и др.

ВГЭК по многим параметрам соответствует конструкции гидроаккумули-рующей электростанции (ГАЭС), однако главное его отличие от ГАЭС заключается в использовании даровой энергии ветра при заполнении верхнего водо-

хранилища. При этом от ГЭС комплекса покрывается местная нагрузка полностью, а не только пиковые зоны графика электропотребления. Кроме того, для ВГЭК связь (хотя бы и слабая) с энергосистемой по соображениям надежности желательна, но не обязательна. При наличии связи ВГЭК может выполнять функции, возлагаемые на распределенную генерацию.

Связь с ЭЭС при этом может обеспечивать:

- повышение надежности электроснабжения;

- возможность снижения объема водохранилища;

- значительное повышение качества электроэнергии, если линии электропередачи связи с системой имеют большую протяженность и низкое номинальное напряжение (110 кВ и ниже, вплоть до 10—6 кВ при длинах 50-150 км и более). Благодаря ГЭС будут иметься местные избытки активной и реактивной мощности для бесперебойного электроснабжения и регулирования напряжения;

- возможность передачи избытков мощности в систему.

Применение такого комплекса целесообразно в первую очередь для удаленных населенных пунктов, полная и надежная электрификация которых от централизованного снабжения затруднительна либо дорогостояща.

Наряду с преимуществами, комплекс имеет и недостатки. К наиболее существенным из них в общем случае следует отнести:

- необходимость наличия значительных водных ресурсов;

- значительные затраты на сооружение водохранилища и ГЭС.

Принимая во внимание достоинства и недостатки предлагаемого комплекса, для четкого понимания его целесообразности применительно к конкретным условиям и выполнения технико-экономического обоснования основных технических решений предлагается методика оценки эффективности как расчетный инструмент для решения задач электроснабжения потребителей с применением ВИЭ.

Методика определения параметров ВГЭК укрупнено включает в себя расчеты в следующей последовательности:

1. Определение параметров ГЭС на основе прогноза электропотребления и с учетом фактора надежности.

2. Определение характеристик водохранилища по результатам расчета параметров ГЭС.

3. Определение параметров ветронасосных агрегатов по результатам расчетов п. 2 с учетом надежности, а также с учетом ветровых характеристик района расположения установки.

4. Решение остальных сопутствующих проблем, связанных с сооружением ВГЭК.

Определение единичной мощности и количества гидроагрегатов ГЭС. Расчет параметров ГЭС, характеристик водохранилища и параметров ветросиловых агрегатов производятся по типовым методикам, но с учетом особенностей функционирования этих объектов в рамках комплекса и уточненном учете фактора надежности электроснабжения потребителей.

Из материалов прогноза социально-экономического развития района определяется годовой нерегулярный максимум нагрузки N" макс на соответствую-

щую перспективу. После выбора единичной мощности и типа гидроагрегатов проводится расчет надежности ГЭС в соответствии с общей теоремой о повторении опытов теории вероятностей.

Метод, основанный на использовании теоремы о повторении опытов, позволяет оценить необходимый резерв и вероятность бездефицитной работы объекта, состоящего из п элементов по их номинальным параметрам. При оценке надежности ГЭС такими параметрами являются номинальная единичная мощность Nei}, количество гидроагрегатов п и вероятность безотказной работы р гидроагрегата. При принятом по результатам оценки максимума нагрузки значении Ned определяется необходимое количество агрегатов п, при котором обеспечивается покрытие нагрузки с заданной (нормативной) вероятностью бездефицитной работы при минимальном резерве мощности.

Расчеты проводятся по формуле биномиального распределения:

+ dnpmql(n-i)Nedl +...+q"[ oi = 1,

где p - вероятность работоспособного состояния гидроагрегата (принимается по данным завода-изготовителя или по статистике аварийности оборудования ГЭС); q=l-p- вероятность аварийного простоя гидроагрегата; п - количество агрегатов, принятых к установке на ГЭС; i -1, п - количество агрегатов, которые могут находиться в неработоспособном состоянии; с^ - число сочетаний из

л по i - коэффициент, позволяющий учесть все возможные сочетания соответствующих работоспособных и неработоспособных элементов; выражения в квадратных скобках характеризуют значения располагаемой мощности ГЭС в соответствующих расчетных состояниях. В квадратных скобках обозначаются соответствующие состояния объекта.

Приведенное разложение бинома представляет полную группу событий с различными возможными состояниями элементов объекта (ГЭС). В данном случае это сочетания работоспособных (п - i) и неработоспособных i элементов из их общего числа п.

Из (1) находится вероятность бездефицитного покрытия нагрузки:

i=0

для всех /, при которых

(п-1)мед>м:ереж (2)

При этом выбирается п, для которого

^ — ^норм*

В (3) 9 н<,рм - нормативная величина вероятности бездефицитного электроснабжения потребителей(вероятность отсутствия дефицита мощности в системе). В СССР и до сих пор в России %орм принимается на уровне 0,996, в Западной Европе - 0,9996. Поскольку схема ВГЭК (см. рис. 2.2) в надежностном плане представляет объект из последовательного соединения элементов: ВНУ, водохранилища, ГЭС и локальной распределительной сети, то в соответствии с

общей теорией надежности вероятность бездефицитной работы ВГЭК определяется надежностью составляющих его узлов по формуле

ЗдПЖ = Звну ' %дхр ' 9/ЭС' сеть• Принимая для упрощения расчетов

ЗвНУ = 'З'вдхр — 9/ЭС — 'З'сеть = ^ из предыдущей формулы определяется

Унорм = V Звгэк = ^0^96 = 0,999.

Поэтому далее при расчетах надежность безотказной работы 9норм каждого из элементов ВГЭК принимается на уровне 0,999.

Следует иметь ввиду, что при выборе состава агрегатов решается целочисленная задача и потому не получается точное значение %орм = 0,999. В таком случае принимается ближайшее к %0рм = 0,999 значение.

Если (3) не обеспечивается, то изменяется Л^ и/или п, при которых (3) удовлетворяется.

По результатам расчетов и информации завода-изготовителя выбираются единичная мощность агрегатов ос и количество п°гэс = п, значения которых и будут оптимальными параметрами ГЭС в плане обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

*%с = п°гэЛпэскВт.

На втором этапе расчета параметров ВГЭК определяется необходимая емкость водохранилища.

Определение емкости водохранилища. В связи с неравномерностью ветрового режима, поступление воды в водохранилище носит случайный характер. Основная задача при этом - обеспечить такой объем и режим заполнения водохранилища, чтобы воды было в достатке для расхода гидроагрегатами при покрытии потребности в электроэнергии потребителей в заданном объеме и в требуемое время на протяжении всего расчетного цикла Т, зависящего от характера ветрового режима.

Оценка ветровых характеристик выполняется согласно информации климатологических справочников по ветру и специально организуемых исследований в районе применения ВГЭК. При анализе данной информации определяется продолжительность периодов со скоростью ветра, недостаточной для работы ветроагрегатов и длительность периодов со скоростью ветра, позволяющей обеспечить эффективную работу ветронасосных установок. В этом случае расчетный период (цикл ветрового режима) Т следует рассматривать как сумму времени работы и времени простоя ветронасосных установок (ВНУ):

Т=Т€+ТП, (4)

где Тв- время работы ветроагрегатов, ч.; Та — длительность простоя ветроагрегатов, ч.

При этом при определении длительности периода Т суть анализа данных о ветровом режиме района заключается в выделении промежутков времени, в ко-

торых средняя скорость ветра превышает минимальную скорость для работы ветроагрегатов. В результате чего в годовом разрезе формируются циклы Т, в которых имеют место периоды достаточной ветровой активности Те.

Главным критерием при определении емкости водохранилища является необходимость обеспечения требуемого расхода воды в гидроагрегатами при их работе в течение периода Т. Расход воды уменьшается при увеличении напора Н. Это условие учитывается при анализе местности для размещения водохранилища в заданном районе. Результаты проведенной оценки местности сопоставляются с заводскими характеристиками гидроагрегатов по их напору Я и удельному расходу 2о-

Требуемый полезный объем водохранилища определяется по формуле

Уполезн. ~ Этр ' <2о м , (5)

где Этр - требуемая выработка ГЭС, которая определяется по графику нагрузки соответствующего расчетного периода Т, кВт-ч.

В процессе выбора гидроагрегатов для ВГЭК подразумевается главное условие определения емкости водохранилища - обеспечение минимально возможного расхода £? с целью минимизации емкости водохранилища, и как следствие, сокращение затрат на его сооружение и эксплуатацию.

Так как ГЭС обеспечивает потребителей электроэнергией, покрывая весь график нагрузки на протяжении всего периода потребления, полезная емкость водохранилища должна удовлетворять расход воды гидроагрегатами за весь принятый расчетный период Т электроснабжения, в качестве которого может быть временной интервал от суток (суточное регулирование) до года (годовое регулирование).

Кроме полезного объема водохранилища Уполет для покрытия расхода гидроагрегатов, необходимо также учесть потери, связанные с испарением воды с поверхности водохранилища Уис„, потери на фильтрацию через грунт Уф и потери на образование льда V, при эксплуатации в районах с холодным климатом.

Полный объем водохранилища будет равен

У поли = Уполезн Уисп Уф Ул Ум — У полез» У потерь^" Ум М . (6)

где ^'потерь ~ Уисп + Уф + У,: Ум - мертвый объем.

Принимая во внимание безотказность функционирования водохранилища с учетом нормативного значения надежности £Р следует иметь ввиду гарантированный объем водохранилища Угарант. Связь Угарант и Утш определяется соотношением

Уполн = Vгарант ' $ вдхр км •

Отсюда

^гарант ~ ^'полн ! ^ вдхр КМ . (7)

Способ организации и тип водохранилища по его конструктивным особенностям определяется по технико-экономическим показателям того или иного

варианта для конкретных условий, но предпочтение стоит отдавать организации водохранилища с максимальным использованием естественного рельефа.

На начальном этапе заполнения водохранилища ветронасосным установкам предстоит заполнить весь объем Утрант., для чего потребуется некоторое время. В дальнейшем после заполнения мертвого и полезного объемов ветроаг-регатам предстоит только заполнение объема У„0,,„„ + У„отерь, срабатываемого в течение расчетного периода Г. При этом объем, созданный заранее, срабатывается в текущем периоде и одновременно накапливается новый объем Утт11 + У потерь для работы ГЭС в следующем периоде.

Определение параметров узла наполнения водохранилища. При функционировании любой установки, использующей энергию ветра, в том числе ВГЭК, характер ветровой активности играет решающую роль как источник получения энергии.

Для оценки ветрового потенциала района в отношении работы ВНУ определяется значение коэффициента вариации с„, т. к. ветровой режим подчиняется некоторому закону распределения.

Коэффициент вариации позволяет численно оценить степень изменчивости скорости ветра в рассматриваемом периоде и сделать вывод о перспективности применения ВНУ в той или иной местности. Благоприятным условием для использования ветроэнергетических установок в той или иной местности являются небольшие значения коэффициента вариации скорости ветра - с„ < 0,5. Коэффициент вариации определяется по выражению:

(8)

где ав - среднеквадратическое отклонение скорости ветра - основная мера статистического измерения изменчивости признака (скорости ветра) у членов совокупности (ветрового режима); г>ср - среднее значение скорости ветра за рассматриваемый период.

Так как ветровой режим всегда имеет циклический характер в пределах года (8760 ч.), то при определенном значении Т (от 8760 ч и менее) и соответствующем размере водохранилища, необходимого для обеспечения расхода воды в течение периода Т, рассчитывается время работы насосной станции Тв:

Время работы ВНУ Г„ находится по формуле:

в 100

где /(у>у0) - вероятность превышения начальной скорости ветроагрегата, %. Значения Ди > Оо) определяется в зависимости от отношения параметров режима ветра V > ио и величины коэффициента вариации си как табличные данные в соответствии с распределением функции Вейбулла; «о - начальная скорость ветровой турбины, м/сек. В расчетах оо принимается равной 3-4 м/сек. При данной скорости начинают работать многолопастные ветроагрегаты, которые предполагается применять в составе ВГЭК.

Длительность простоев ВНУ Гп согласно (4) составит:

Тп = Т— Т„ ч. (10)

Для определения производительности ветронасосной установки (узла заполнения водохранилища), как уже отмечалось, требуется знать необходимый объем Уяа,„„ + У„отерь и длительность работы ВНУ Тв при заполнении водохранилища в течение расчетного периода Т. Очевидно, что заполнение мертвого объема осуществляется один раз перед началом эксплуатации ВГЭК и установка дополнительных ветросиловых агрегатов для этой цели будет нецелесообразна.

Суммарная производительность насосных ветроагрегатов 2»! определяется по формуле

V

_ полезя потерь 3 / -. . ,

-г- м/сек, (11)

^ е

где Тв в секундах.

Суммарная мощность насосных агрегатов определяется по выражению:

кВт, (12)

где - к.п.д. насоса; Н- высота подъема воды, м.

Минимально необходимое число агрегатов определится как

"« = ^€г/Мвед, (13)

где Ме.ес, - единичная мощность ветрового агрегата, принимаемая по каталогам заводов-изготовителей, наиболее подходящего к конкретным расчетным условиям.

Определение требуемого количества насосных ветроустановок с учетом надежности ветронасосной станции производится в соответствии с общей теоремой о повторении опытов по формуле биномиального распределения, которая используется при определении параметров ГЭС, см. формулу (1). Нормативные величины безотказной работы всей совокупности ветронасосных установок принимается в зависимости от ветрового режима в данном регионе, но не ниже вероятности бездефицитного электроснабжения.

Изложенные этапы расчета ВГЭК являются основными при оценке параметров рассматриваемой установки. Далее решаются технические и экономические задачи, связанные с реализацией электроснабжения от ВГЭК.

В экономическом плане должно быть выполнено технико-экономическое обоснование (ТЭО) эффективности данного комплекса в сравнении с уже применяющимися на практике вариантами электроснабжения на основе использования энергии ветра.

Для оценки эффективности требуется информация по затратам на ВГЭК и на альтернативные варианты электроснабжения как возобновляемых, так и не-возобновляемых источников энергии, а именно: затраты на сооружение замещающих дизельных или газовых электростанций, стоимость топлива, стоимость аккумулирующих устройств разного вида и их практические пределы мощности.

В самом общем случае выражение для упрощенной технико-экономической оценки ВГЭК можно записать в следующем виде:

« + ЬУгара„т + СМ%"С <<1МЮС +eNAУ + ГЫДЗС + 8ВтЭ^^к. (14)

В этом выражении:

а - удельная стоимость насосной ветроустановки, руб./кВт; ^вне - установленная мощность ветронасосной станции, кВт; Ь - удельная стоимость сооружения водохранилища, руб./м3; У гарант ~ объем водохранилища, м3;

с - удельная стоимость сооружения ГЭС без стоимости водохранилища, руб./кВт;

^пэс ~ установленная мощность ГЭС, кВт;

с1 - удельная стоимость ветроэлектростанции, руб./кВт;

№вэу - установленная мощность ветроэлектростанции, кВт;

е - удельная стоимость электроаккумулирующей установки (АУ), руб./кВт;

Млу- установленная мощность аккумулирующей установки, кВт;

/-удельная стоимость дополнительной электростанции (ДЭС), руб./кВт;

Мдэс - установленная мощность ДЭС, кВт;

g - стоимость топлива для ДЭС, руб./кг;

Вт - удельный расход топлива на ДЭС, кг/кВт-ч;

Этр - требуемая выработка электроэнергии за расчетный период Т, кВт-ч; Т - расчетный период, соответствующий повторяемости ветровой активности в рассматриваемой местности, час;

Тп - длительность периода безветрия в течение расчетного периода, час; к - число повторений периодов Т в течение срока службы ВГЭК;

Оценка производится при следующих упрощениях и допущениях. В удельную стоимость включается и стоимость земли, отводимой под сооружаемые объекты.

В расчете используются только различающиеся затраты по сравниваемым вариантам. Поэтому не учитываются принимаемые одинаковыми доходы от продажи электроэнергии и постоянные издержки при эксплуатации сравниваемых электроустановок.

Из расчета исключается дисконтирование затрат в течение срока службы электроустановок, которое вряд ли может поменять результат сравнения. Срок службы принимается одинаковым - 30 лет.

Выражение (14) имеет универсальный характер для сравнения ВГЭК с любыми видами альтернативных вариантов, поэтому в правой части для устройств, которые не используются в соответствующем варианте, принимаются нулевые значения.

На рис. 2 представлена блок-схема алгоритма определения параметров и технико-экономического обоснования ВГЭК.

Предварительно выполненный анализ области применения ВГЭК показал, что эти комплексы могут оказаться эффективными в интервале электропотребления от 10-30 кВт до 10-15 МВт.

It Начало_J

I. Сбор исходных данных:

1) Социально- экономическая характеристика энергорайона

2) Географо-метеорологическая характеристика района

1

П. Определение параметров ГЭС

П.1. Оценка а„ и NHHepesMaKC.

II.2. Выбор единичной мощности гидроагрегата Nes с учетом напора Я и

П.З. Определение количества гидроагрегатов п на ГЭС с учетом надежности электроснабжения потребителей

Результаты расчетов:

i

Ш. Определение параметров емкости водохранилища

Ш.1. Оценка расчетного периода Т

Ш.2. Определение требуемой выработки электроэнергии на ГЭС за расчетный период Т: Это

Ш.З. По Э,р с учетом (?о и Я определение требуемого полезного объема У„,„,™

П1.4. Определение У„0,„ и У^™. с учетом надежной работы водохранилища

Ш.5. Расчет параметров водохранилища с учетом топографических условий на местности. Сравнение расчетных значений Ум„„™ и У„„„,

Результаты расчетов: Уполсэи 1 ^гарант. , Утоп.

1

IV. Определение параметров вет-ронасосной станции

IV. 1. Оценка составляющих расчетного цикла Т: Т„ Т„ = Т-Т,

IV.2. Определение Ивнуи

IV.3. Выбор единичной мощности ВНУ

IV.4. Определение количества установок п, ВНС с учетом надежности

Результаты расчетов: N ВНУ ед. ' Nвне

1

V. Технико-экономическое обоснование ВГЭК

V.I. Выбор варианта, альтернативного ВГЭК: ВЭС с ДЭС, ВЭС и АУ и т.п.

V.2. Оценка удельных затрат в объекты ВГЭК и ВЭС

V.3. Расчет затрат в сооружение ВГЭК Звгэк

V.4. Расчет затрат в сооружение альтернативного варианта электроснабжения Звэс

V.5. Сравнение вариантов, уточнение условий их сооружения и выбор более экономичного

V.6. В случае более экономичного ВГЭК - технические проработки конкретных условий работы ВГЭК.

Результаты расчетов: Звгэк, 3Вэс\ выбор ВГЭК, если Звгэк< Звэс

т

Конец

Рис. 2. Блок-схема алгоритма определения параметров и технико-экономического обоснования ВГЭК

При этом в области малых нагрузок (10-50 кВт) можно говорить не о водохранилищах в общепринятом смысле, а о небольших, возможно металлических, ёмкостях, заполняемых двумя - тремя ветронасосами, закачивающими воду на высоту от 20 до 30 м.

Для ВГЭК повышенной мощности целесообразно стремиться к напорам в 100-150 м и больше (с учетом применения деривационных схем). ВГЭК большей мощности становятся нерациональными из-за больших площадей, отводимых для размещения ВНУ и водохранилища.

В третьей главе выполняется проверка работоспособности предлагаемой методики на примерах выбора параметров и технико-экономической оценки ВГЭК. Рассматриваются два варианта применения ВГЭК.

В первом варианте проверка предлагаемой методики выполняется на примере условий острова Ольхон на Байкале (Иркутская область). Рельеф данной местности, метеорологические характеристики, расположение острова на озере Байкал - источнике водных ресурсов, ненадежная существующая схема питания острова, а также доступность информации по данному району позволяют рассматривать эти условия для демонстрации работы методики. Далее название острова не употребляется в связи с отсутствием намерений реального внедрения рассматриваемого комплекса в данной местности, а условия острова используются как абстрактный пример. В качестве предполагаемого потребителя рассматривается один из поселков с максимальной нагрузкой 650 кВт.

Сравнение комплекса выполнялось с ветроэлектрической станцией в равных условиях, т. е. значение нерегулярного максимума нагрузки одно и тоже. Для случая ВЭС, периоды ее простоя компенсируются дизельной электростанцией. При этом учитывается то обстоятельство, что вероятность работоспособного состояния агрегатов ДЭС на порядок ниже, чем у гидроагрегатов ГЭС.

В результате выполненных расчетов были получены результаты, представленные в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики ВГЭК и альтернативной ВЭС

Ветрогидроэнергетический комплекс Ветроэлектрическая станция с дублирующей дизельной электростанцией

Максимум нагрузки 650 кВт

Установленная мощность ГЭС, кВт 10х 80 = 800 Установленная мощность ВЭС, кВт 1100

Емкость водохранилища, км3 0,00593 - -

Установленная мощность ВНС, кВт 50 х 40 = 2000 Установленная мощность ДЭС, кВт 1100

Затраты, млрд. руб. 0,737 Затраты, млрд. руб. 0,913

Аналогичным образом выполнено определение параметров ВГЭК для второго варианта, согласно которому ВГЭК предназначается для электроснабжения охотничье-промысловой или любительской рыболовной базы, расположенной обычно в отдаленной местности, не имеющей нормального дорожного сообщения с обжитыми территориями. Характеристики комплекса и варианта для сравнения представлены в табл. 2. Максимум нагрузки для этого примера составляет 30 кВт.

Ветрогидроэнергетический комплекс Ветроэлектрическая станция с электро аккумулирующей установкой

Максимум нагрузки 30 кВт

Установленная мощность ГЭС, кВт 10 х 5 = 50 Установленная мощность ВЭС, кВт 100

Емкость водохранилища, м3 501635,7 - -

Установленная мощность ВНС, кВт 20 х 7 = 140 Установленная мощность АУ, кВт 40

Затраты, млн. руб. 35 Затраты, млн. руб. 42

По результатам расчета видно, что вариант с применением ВГЭК является более экономичным. При этом следует отметить и то обстоятельство, что емкость АБ в примере № 2 рассчитана на время до 48 ч., в свою очередь использование ВГЭК позволит обеспечить электроснабжение на протяжении всего периода Г„ = 337 ч.

Из расчетов следует, что самым дорогостоящим устройством ВГЭК является водохранилище (87,6 % для варианта №1 и 71,4% для варианта № 2). Поэтому снижению затрат в сооружение водохранилища и должно уделяться наибольшее внимание.

Конкурентность ВГЭК будет расти с увеличением цен на топливо (в расчете для варианта ветроэлектрической станции с дополнительной дизельной электростанцией не учтены затраты на доставку топлива в отдалённые районы, которые могут быть сравнимы и даже превышать стоимость самого топлива).

Выполненный расчет продемонстрировал условия, при которых сооружение ВГЭК может считаться эффективным. Кроме того, комплекс может быть использован как экологическая база отдыха, где резервуар применим для таких нужд как рыбоводство, водоснабжение, птицеводство и другие виды водного хозяйства. Данная концепция ВГЭК может существенно сократить срок окупаемости комплекса и обеспечить дополнительную выгоду. Однако, из этого, естественно, не следует делать вывод, что применение данного комплекса эффективно для любых условий. Разумеется, что следует отказываться от использования ВГЭК при эффективности других вариантов.

Расчеты в данной работе не есть рекомендации к сооружению ВГЭК на территории Ольхона - территории Прибайкальского парка. Расчеты носят чисто теоретический, демонстрационный характер. Хотя личное мнение автора -при соблюдении требований строительства и монтажа оборудования в подобных природных зонах, учитывая экологичность такого варианта генерации электроэнергии, данный комплекс не ухудшил бы обстановку в парке, а скорее наоборот мог бы способствовать возникновению оригинальной для Байкала рекреационной зоны на берегах водохранилища.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты проведенной работы.

1. В условиях нарастающих дефицита топливных ресурсов и экологических проблем потребность в применении возобновляемых ресурсов возрастает.

2. Изыскания в области наиболее экономичных и технически целесообразных ВИЭ для конкретных удаленных от централизованного электроснабжения районов приводят к созданию различных систем. В качестве одной из таких систем рассматривается ВГЭК.

3. В данной работе приведен обзорный анализ современного состояния энергетики на базе использования возобновляемых источников энергии. Приводятся перспективы и проблемы использования возобновляемых источников энергии на базе НВИЭ.

4. Рассмотрены принципы работы ветроэнергетических установок и различные способы аккумулирования вырабатываемой энергии. Из анализа существующих способов аккумулирования выделен вариант преобразования кинетической энергии ветра в потенциальную энергию воды посредством гидравлического аккумулирования.

5. Сформирована принципиальная схема ветрогидроэнергетического комплекса, состоящего из узла генерации, узла аккумулирования и узла ветровых насосных установок. Рассмотрены порядок функционирования, преимущества и недостатки данного комплекса, работающего по предлагаемой схеме.

6. Сформулирован перечень задач определения параметров узлов комплекса. Применен методический подход и последовательность расчетов для определения основных параметров ветрогидроэнергетического комплекса. Разработана методика, позволяющая по заданным электропотреблению и требованиям надежности электроснабжения определить рациональные параметры ВГЭК. При определении основных параметров комплекса учтен фактор надежности

7. В общем случае ВГЭК играет роль «распределенной» генерации, которая определяется как выработка электроэнергии по месту ее потребления и этом качестве имеет диверсификационный характер, увеличивая разнообразие установок на возобновляемых источниках, использующих энергию ветра.

8. Приведены результаты сравнительного технико-экономического расчета рассматриваемого комплекса и альтернативных ВЭС, функционирующих либо с применением замещающей дизельной электростанции, либо аккумулирующей электробатареи. Выявлено, что при заданных условиях рассматриваемых примеров ВГЭК оказывается достаточно эффективным вариантом энергоснабжения локальных потребителей.

Публикации в издании из списка ВАК:

1. Рычков М.А., Ковалёв Г.Ф. К обоснованию ветрогидроэнергетических комплексов // Вестник ИрГТУ. - 2012. - № 7. - С. 164 - 170.

Публикации в других изданиях:

2. Рычков М.А. Постановка задачи оценки эффективности ветрогидроэнер-гетической установки // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 39. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. - С. 126 -132.

3. Рычков М.А. Выбор единичной мощности и количества гидроагрегатов миниГЭС с учетом надежности // Системные исследования в энергетике. Тр.

молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. -С. 130-138.

4. Рычков М.А. Определение емкости водохранилища ветрогидроэнергети-ческого комплекса // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 41. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - С. 62 - 70.

5. Рычков М.А. Определение единичной мощности и количества ветровых водоподъемных установок для ВГЭК с учетом надежности // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 42. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012. - С. 80 - 86.

6. Рычков М. А. Ветрогидроэнергетический комплекс как вариант диверсификации распределенной генерации на основе использования возобновляемых источников энергии. // Сборник докладов Международной конференции «Методические проблемы исследования надежности больших систем энергетики». 17-21 сентября 2012 г. Баку, (принято к печати).

7. Рычков М. А. Оценка эффективности ветрогидроэнергетической установки. // Сборник докладов межвузовской молодежной научно-практической конференции «Социально-экономическое развитие Приангарья: состояние, проблемы перспективы" 19 апреля 2009 г. Иркутск, ООО «Оттиск» - 2009. - с. 24-31.

-

ОТПЕЧАТАНО в ИСЭМ СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130 Заказ №73. Тираж 100 экз.

I I I

ИРКУТСК 2013

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное учреждение на|уки Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук

- ! 1 :

^На^^^х рукописи

РЫЧКОВ Максим Александрович

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРО-ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ

!

НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

|

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы ]

Диссертация

на соискание ученой степени I кандидата технических наук

СО

ю

(ф Научный руководитель

о доктор технических наук, профессор

СО СЧ1

^ Ковалёв Геннадий Федорович

О я СМ 2

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

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

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ..................................................................13

1.1. Общая характеристика проблемы......................................................................................13

1.1.1. Состояние альтернативной энергетики в мире..................................................17

1.1.2. Состояние альтернативной энергетики в России............................................22

1.2. Перспективы и проблемы использования возобновляемых источников энергии на базе ветровых ресурсов................................................................24

1.3. Принципы работы ВЭУ................................................................................................................25

1.4. Способы аккумулирования энергии................................................................................27

1.4.1. Тепловые аккумуляторы......................................................................................................30

1.4.2. Электрические аккумуляторы..........................................................................................30

1.4.3. Водородные аккумуляторы..................................................................................................31

1.4.4. Механические аккумуляторы......................................................................................................31

1.4.5. Пневматические аккумуляторы........................................................................................33

1.4.6. Гидравлическое аккумулирование..................................................................................33

1.4.7. Сравнительный анализ способов аккумулирования......................................34

1.5. Задачи работы..........................................................................................................................................38

1.6. Выводы по главе..................................................................................................................................40

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВГЭК С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ЕГО УЗЛОВ............................................................................................................42

2.1. Характеристика ветрогидроэнергетического комплекса..............................42

2.2. Определение характеристик основных составляющих узлов ВГЭК.. 46

2.2.1. Определение единичной мощности и числа гидроагрегатов ГЭС... 46

2.2.2. Определение емкости водохранилища......................................................................50

2.2.3. Определение параметров узла наполнения водохранилища..................58

2.3. Оценка технико-экономической эффективности ВГЭК..................................65

2.4. Выводы по главе................................................................................................................................69

3. ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВГЭК 71

3.1. Пример для определения параметров ветрогидроэнергетического комплекса..............................................................................................................................................................71

3.1.1. Географо-метеорологическая характеристика района................................71

3.1.2. Социально-экономическая характеристика района........................................73

3.1.3. Определение параметров ГЭС..........................................................................................75

3.1.4. Определение емкости водохранилища........................................................................78

3.1.5. Определение параметров ветронасосной станции............................................84

3.1.6. Оценка технико-экономической эффективности ВГЭК....................................88

3.2. Ветрогидроэнергетический комплекс для охотничье-промысловой (рыболовной) базы........................................................................................................................................90

3.2.1. Определение параметров ГЭС............................................................................................91

3.2.2. Определение расхода воды и требуемой емкости резервуара................92

3.2.3. Определение параметров ветронасосных установок......................................94

3.2.4. Оценка технико-экономической эффективности комплекса..................97

3.3. Выводы по главе..................................................................................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................100

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В РАБОТЕ........................102

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................103

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................................109

Приложение 1. Характеристика общей теоремы о повторении опытов... 110

Приложение 2. Ветровые ресурсы РФ............................................................................................115

Приложение 3. Схемы электроснабжения острова Ольхон на Байкале... 118

ВВЕДЕНИЕ

Потребность в энергии - одна из основных жизненных потребностей человека. Энергия необходима не только для нормальной деятельности сложного современного общества, но и для физического существования каждого человека.

Развитие человеческого общества, так или иначе, связано с использованием энергии и поиском способов ее добычи. Влияние энергетического потенциала на человечество очень велико - развитие промышленности, науки, культуры было бы невозможно без использования энергетических ресурсов Земли. Пользуясь энергией, человек создаёт для себя всё более комфортные условия жизни.

Освоение способов получения энергии человеком началось ещё в древние времена, когда научились добывать огонь, и сегодня характеризуется созданием и функционированием больших и сложных топливно-энергетических комплексов (ТЭК) государств.

С древних времен человека также привлекает возможность использования возобновляемых источников энергии для различных хозяйственных нужд в силу их неисчерпаемости и почти повсеместного присутствия. Первыми из таких источников энергии были освоены ресурсы солнца, ветра и воды, которые на современном уровне развития техники используются и для производства электроэнергии.

Использование энергии падающей воды получило широкое распространение на гидроэлектростанциях (ГЭС). Кроме ГЭС большой мощности существуют менее распространенные, но достаточно актуальные в удаленных от централизованного электроснабжения районах средства использования гидроэнергии на мини- и микро ГЭС как обособленные источники генерации.

Использование энергии ветра на сегодня в наибольшей степени реализуется в таких странах как Китай, США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и др. Получила развитие новая отрасль промышленности - ветроэнергетическое

машиностроение. Энергия ветра используется как в установках малой мощности, так и для электроснабжения крупных объектов.

Большие заслуги в создании основ ветроэнергетики имеют советские ученые и специалисты Н. В. Красовский, Г. X. Сабинин, Е. М. Фатеев, Р. В. Секторов, К. П. Вашкевич, В. В. Сидоров и др.

Продолжателями основоположников российской ветроэнергетики являются авторы множества трудов и монографий П. П. Безруких, В. Г. Николаев, В. П. Харитонов и др.

Весомый вклад по изучению и опытному освоению альтернативных источников энергии и ветроэнергетики, в частности, принадлежит специалистам института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева. Среди сотрудников института проблемам использования возобновляемых ресурсов посвятили свои труды такие специалисты как А. А. Кошелев, И. Ю. Иванова, Т. Ф. Тугузова, О. В. Марченко, В. А. Савельев, Т. В. Бережных и др.

В отличие от более технически освоенного и экономически обоснованного гидроэнергопотенциала, в ветроэнергетике наблюдаются существенные сдерживающие моменты. Самый весомый и определяющий наиболее сложную проблему в области использования ветроэнергетических установок момент - это процесс обеспечения бесперебойного покрытия требуемого потребления генерируемой ветром электроэнергией при существенно отличающемся режиме её выработки от графика нагрузки потребителей, с учетом периодов отсутствия ветра или его недостаточной скорости.

На сегодняшний день для решения этих задач широко применяется способ дублирования мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ), посредством использования дополнительных, неветровых, электростанций, компенсирующих периоды простоя ветровых установок.

Кроме способа дублирования мощности ВЭУ, для решения проблемы простоя ветроагрегатов используются различные способы аккумулирования энергии, производимой ветроустановками, с последующим ее использованием в соответствии с необходимыми требованиями.

В данной работе рассматривается ветрогидроэнергетический комплекс (ВГЭК) для электроснабжения потребителей, расположенных в районах с рельефно-климатическими характеристиками, удовлетворяющими необходимым требованиям. В составе ВГЭК предполагается использование водохранилища, наполняемого с помощью ветровых установок. Водохранилище, как неотъемлемая часть комплекса, используется для гидравлического аккумулирования вырабатываемой ветроустановками энергии. При этом разделяются два процесса - выработка энергии ветровыми установками в периоды эффективного ветрового режима с преобразованием в потенциальную энергию воды и процесс расхода воды гидроагрегатами ГЭС, работающими для покрытия требуемой мощности потребления электроэнергии, независимо от периодичности и интенсивности ветрового режима в данном районе.

На современном этапе меняющиеся условия функционирования и управления электроэнергетической отраслью, переход на рыночные отношения вызывают повышенный интерес специалистов-энергетиков к установкам распределенной генерации и, особенно, на базе возобновляемых источников энергии. В данной ситуации достаточно острой становится проблема диверсификации различных видов объектов распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии, в том числе и ветровой энергии.

Идея гидравлического аккумулирования ветровой энергии является не новой и встречается во многих источниках, как например [49, 57] и др. Однако, в связи с тем, что не найдено обобщенных методов определения параметров таких комплексов, использующих энергию ветра, как ВГЭК или подобных комплексов электроснабжения, применяемых в различных природно-климатических районах, а существующие способы использования энергии ветра экономически не всегда оправданы, данную задачу следует считать актуальной. Это подтверждается и принятыми положениями в основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года, утвержденными распоряжением Правительства РФ

от 8 января 2009 г. № 1 -р. К тому же в предыдущих исследованиях уделялось недостаточно внимания обеспечению надежности комплексов. Цель и задачи работы

Цель: разработать методику, позволяющую по заданным электропотреблению и требованиям надежности электроснабжения определить рациональные параметры ВГЭК, выполнить оценку эффективности и возможности использования рассматриваемого комплекса.

Задачи:

1) обоснование варианта диверсификации систем на базе применения возобновляемых источников энергии при комплексном использовании ветровых и гидравлических ресурсов;

2) основываясь на идее гидравлического аккумулирования энергии ветра сформулировать принципиальную схему рассматриваемого комплекса и порядок решения задач по определению его параметров и оценке эффективности.

3) апробация методики на примерах.

Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в рамках гранта № НШ-1507.2012.8 «Разработка теории, моделей и методов обоснования развития и управления функционированием структурно неоднородных электроэнергетических систем в рыночных условиях».

Методы выполнения исследований. При исследовании применялись фундаментальные положения теории вероятностей, математической статистики, теории надежности, методы комплексного подхода к решению системных задач, информационные технологии. В ходе проведения исследований выполнялись расчёты надёжности технологических узлов ВГЭК.

Объект исследования.

Объектом исследования в данной работе являются возобновляемые источники энергии на базе ветровых и гидравлических ресурсов.

Предмет исследования:

Эффективность и надежность электроснабжения удаленных энергорайонов на основе комплексного применения установок, использующих энергию ветра.

Научная новизна проводимых исследований заключается в следующем:

1. Применен комплексный подход к проблеме использования возобновляемой энергии ветра при помощи гидроаккумулирования для целей надежного и качественного электроснабжения с учетом возможности использования ВГЭК для других хозяйственных нужд потребителей.

2. Разработана методика взаимосвязанного определения параметров узлов, составляющих ВГЭК.

3. Учтен фактор надежности при определении количества и единичной мощности элементов, составляющих узлы исследуемого комплекса.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.01 - «Энергетические системы и комплексы».

Соответствие формуле специальности: в диссертационном исследовании разработана методика оценки эффективности ветрогидроэнергетического комплекса, предназначенного для электроснабжения децентрализованного потребителя как вариант диверсификации возобновляемых источников энергии. Разработанная методика может использоваться как расчетное средство для оценки эффективности применения рассматриваемого комплекса, что соответствует формуле специальности 05.14.01, в рамках которой, на основе системного подхода, совершенствуются существующие энергетические системы, прорабатываются перспективные структуры энергетических систем и комплексов, разрабатываются новые методы исследования и оценки качества энергетических систем и комплексов с целью повышения их экономичности, надежности, безопасности и снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Соответствие области исследования специальности: отраженные в диссертационной работе положения соответствуют п.п. 1, 2, 5, 6 области исследования по разработке принципов функционирования энергетических комплексов, исследованию нетрадиционных источников энергии в энергетических си-

схемах и комплексах, исследованию в области ресурсосбережения при производстве электроэнергии в энергетических системах и комплексах, исследованию влияния технических решений, принимаемых при создании и эксплуатации энергетических систем и комплексов, на их финансово-экономические и инвестиционные показатели, региональную экономику и экономику природопользования.

Положения, выносимые на защиту;

- обоснование комплексного подхода к применению ВГЭК;

- методика взаимосвязанного определения параметров ВГЭК;

- методика обеспечения надежности составляющих ВГЭК, гарантирующих

надежное электроснабжение потребителей;

- упрощенная (предпроектная) оценка эффективности ВГЭК в сравнении с

другими вариантами ВЭУ для целей электроснабжения.

Практическая ценность. Методика может использоваться как расчетное

средство для предпроектной оценки эффективности применения исследуемого комплекса. Использование результатов работы будет способствовать повышению качества принимаемых решений по применению технических средств электроснабжения потребителей на основе использования ветро- и гидроресурсов заданного района с учетом фактора надежности.

Апробация результатов работы и публикации.

Результаты работы по теме диссертации были представлены на ежегодной конференции по системным исследованиям в энергетике (Иркутск, 2009 -2012); на межвузовской молодежной научно-практической конференции «Социально-экономическое развитие Приангарья: состояние, проблемы перспективы" (Иркутск, 2009); на международном научном семинаре им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики» (Баку, 2012).

Основные положения и результаты исследований вошли в сборники трудов ежегодной конференции молодых ученых ИСЭМ СО РАН по системным исследованиям в энергетике (2009-2012 гг):

1. Рынков М.А. Постановка задачи оценки эффективности ветрогидроэнергети-ческой установки // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 39. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. - С. 126 -132.

2. Рычков М.А. Выбор единичной мощности и количества гидроагрегатов ми-ниГЭС с учетом надежности // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - С. 130- 138.

3. Рычков М.А. Определение емкости водохранилища ветрогидроэнергетиче-ского комплекса // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 41. - Иркутск: ИСЭМ