автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методики повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем

На правах рукописи

ЗАИНУТДИНОВ РУСТЕМ АХТЯМОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕГИОНА НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(на примере Астраханской области)

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013

Москва -2013

005540876

005540876

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Научный руководитель: Кудрин Борис Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Тягунов Михаил Георгиевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Майоров Владимир Александрович,

кандидат технических наук, зав. лаб., ведущий научный сотрудник ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уфимский

государственный авиационный технический университет»

Защита состоится «20» декабря 2013г, в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, ауд. М-611.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.157.02 по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 канд. техн. наук, доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные условия характеризуются возрастанием роли возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В мировой практике альтернативная энергетика и, в частности, солнечная энергетика развиваются очень быстро. Причем, тенденции развития солнечной энергетики показывают, что это самая быстрорастущая сфера возобновляемой энергетики. Причинами такого бурного развития являются: высокая технологичность производства солнечных фотоэлектрических модулей и солнечных коллекторов, малые эксплуатационные расходы, а также постоянно растущие тарифы на углеводородное сырьё, ухудшение экологической обстановки в мире и политические разногласия, стимулирующие страны мира к независимости в области энергетики. Во всём мире развитие ВИЭ занимает приоритетное место, которое поддерживается государствами на разных уровнях и разными способами. По итогам 2011 года высокого уровня использования ВИЭ для выработки электроэнергии достигли многие страны: Германия — 21%; Дания - 40%; Габон -42%; Гватемала - 64%; Латвия - 51%; Новая Зеландия - 76%; Португалия - 47% .

Актуальность развития систем на основе ВИЭ и, в том числе, солнечной энергетики возрастает в связи с принятием 23.11.2009 года Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Это особенно актуально для энергодефицитных регионов, к коим в частности относится Астраханская область. Нехватка генерирующих мощностей и устаревшие основные фонды являются одними из главных энергетических проблем Астраханской области. Велика доля потерь энергии в электрических сетях. Низка энерговооруженность таких перспективных для Астраханской области видов экономической деятельности как сельское хозяйство, рыболовство, туристический бизнес. Часто возникают проблемы энергообеспечения потребителей: населения, образовательных и медицинских учреждений в удалённых поселениях муниципальных образований. Одним из направлений решения этих проблем может стать использование возобновляемых источников энергии и в первую очередь - солнечной энергетики, имеющей наиболее высокий для Астраханской области ресурсный потенциал.

В современных условиях прогнозирование потребления на основе нормативов становится невозможным. Поэтому актуализируется определение объёмов электроэнергии и мощности для региона и для каждого муниципального образования как конечного потребителя на основе проведения детального анализа месячных и годовых объёмов электропотребления по каждому населённому пункту. Повышение эффективности электроснабжения потребителей требует разработки методики, основанной на новых предлагаемых подходах проектирования систем электроснабжения с использованием рангового распределения систем муниципальных образований региона для теоретического определения вида ВИЭ и практической реализации использования фотоэлементов для пилотных и опытных проектов.

Модели и практика развития систем генерации на основе ВИЭ ограничиваются большей стоимостью единицы объёма и мощности

электрической энергии, большей продолжительностью согласования технологического присоединения и длительностью процесса ввода в эксплуатацию электроустановок для потребителей региона, особенностями потребления электроэнергии во время суток из-за различия в сезонной составляющей, особенностях вида возобновляемого ресурса. Нами предлагается в масштабах региона с учётом особенностей потребления электроэнергии каждым муниципальным образованием последовательность введения в строй энергоустановок ВИЭ в различных населённых пунктах, решая расчётами вопрос о величине устанавливаемой мощности, необходимости подключения к энергосистеме для случая автономной работы и работы параллельно с энергосистемой. Существен вопрос о дифференцированном подходе к определению электропотребления отдельных населённых пунктов в зависимости от их роли в региональной структуре.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время известны лишь отдельные примеры разработки режимов электропотребления и внедрения солнечной энергетики в различных регионах России. Эти проекты реализуются, как правило, в частном порядке и не затрагивают проблему электроснабжения на основе ВИЭ для региона в целом. Нет достаточного опыта разработки, внедрения и апробации фотоэлектрических систем для объектов муниципальных образований. Поэтому актуальны исследования электрообеспечения всех муниципальных образований с детализацией по каждому населённому пункту вплоть до конечных потребителей электрической энергии и мощности для решения надёжного и эффективного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии для автономных режимов их работы и работы с присоединением к электрическим сетям с потреблением и выдачей электроэнергии в сеть. Наряду с методическим и программным обеспечением важны разрабатываемые и реализуемые практические решения по применению фотоэлементов с целью демонстрации индивидуальных решений по установке ВИЭ и электроснабжению отдельных электроприёмников.

Таким образом, предлагается разработка методики региональной программы строительства фотоэлектрических систем и практика их реализации, которые учитывают социальные и климатические особенности регионов и способствуют решению проблемы повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований на основе внедрения фотоэлектрических систем в целом для региона и каждого конечного потребителя.

Объект исследования: электроснабжение потребителей (фирм и населения) муниципальных образований региона с учетом социально-экономических и климатических условий.

Предмет исследования: месячные и годовые показатели электропотребления и численности населения муниципальных образований Астраханской области, климатические условия, теоретические и практические основы внедрения фотоэлектрических систем.

Цель исследования: разработать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем.

В соответствии с целью определены следующие задачи исследования:

1. Провести аналитический обзор состояния и тенденций развития солнечной энергетики в мире и Российской Федерации. Осуществить сбор и анализ статистической информации по электропотреблению муниципальных образований Астраханской области.

2. Адаптировать техноценологический подход к анализу электропотребления муниципальных образований региона с оценкой рангового параметрического распределения по общему и удельному электропотреблению.

3. Провести анализ климатических особенностей Астраханской области с целью оценки перспективности развития солнечной энергетики. Разработать этапы и списки очередности размещения фотоэлектрических систем в МО региона. Произвести расчет мощности фотоэлектрических систем для МО Астраханской области.

4. Обобщить результаты исследования и сформулировать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, пригодную для использования в других регионах России и за ее рубежами.

5. Разработать структуру и классификацию фотоэлектрических систем, в которой в качестве основного классификационного признака будет использован уровень связи этих систем с электрическими сетями.

6. Сформулировать требования к фотоэлектрическим системам по критерию качества электрической энергии.

7. Разработать и внедрить пилотные проекты фотоэлектрических систем для энергоснабжения объектов МО Астраханской области, а также обосновать их экономическую эффективность.

Научная новизна исследования

1. Впервые рассмотрен техноценоз муниципальных образований региона по параметру электропотребления, что позволяет перейти к системному повышению эффективности электроснабжения региона.

2. Построены ранговые параметрические распределения по величине общего и удельного электропотребления с учетом социально-экономической составляющей электроснабжения региона.

3. Предложена техноценологическая модель развития солнечной энергетики региона, в которой очередность строительства фотоэлектрических систем определяется относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала.

4. Разработана методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, которая может быть использована для создания техноценологических моделей развития солнечной энергетики в других регионах страны и за ее пределами.

Теоретическая значимость исследования:

Внесен вклад в расширение сферы применения техноценологического подхода за счет использования рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению при учете не только технической, но и

социально-экономической составляющей электроснабжения региона.

Практическая значимость исследования:

На основе разработанной техноценологической модели сформированы списки очередности строительства фотоэлектрических систем для муниципальных образований Астраханской области.

На основе предложенной методики произведен расчет энерговыработки, установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем для муниципальных образований региона.

Разработаны и внедрены пилотные проекты фотоэлектрических систем для автономного энергоснабжения ряда объектов муниципальных образований Астраханской области.

Методология и методы исследования:

Методология исследований, представленных в диссертационной работе, основывается на системном и техноценологическом подходах к исследованию сложных технических систем, теории принятия решений, методах экспертного оценивания. Использованы методы экспертных оценок, методы математической статистики, прогнозирование, программные пакеты MathCad, Excel. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей, алгоритмов и программ, используемых при расчетах на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе статистики по электропотреблению установлено, что муниципальные образования региона (МО) могут быть описаны ранговым параметрическим распределением по общему и удельному электропотреблению. Адекватность такого подхода подтверждена проверкой на соответствие критериям Н-распределения.

2. Модель развития солнечной энергетики региона включает следующие этапы: 1-й этап реализуется на основе списка очередности строительства фотоэлектрических систем, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением и перечня муниципальных образований с аномально низким общим электропотреблением. Среди них первое место присваивается муниципальному образованию с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала. Второе место занимает муниципальное образование с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала после первого.

2-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа.

3-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из

перечня муниципальных образований с аномально низким_общим

электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа. Очередность соответствует относительной величине отклонения общего электропотребления от границ доверительного интервала.

3. Методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных

образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем включает: сбор данных помесячного и годового электропотребления муниципальными образованиями за период порядка трех-пяти лет, формирование ранговых параметрических распределений муниципальных образований по общему и удельному электропотреблению, определение коэффициентов аппроксимации, доверительных интервалов, интервальное оценивание, формирование списков очередности строительства фотоэлектрических систем в соответствии с относительной величиной отклонения от границ доверительного интервала, расчет энерговыработки фотоэлектрических систем на основании отклонения удельного электропотребления от аппроксимирующей кривой рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению, расчет установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем с учетом региональной среднемесячной энерговыработки солнечных модулей.

Достоверность, обоснованность и апробация результатов

Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлена обоснованным выбором методов исследования, адекватных поставленным задачам, репрезентативностью объемов выборки по электропотреблению и численности населения муниципальных образований Астраханской области, использованием метеорологических данных государственного учреждения "Астраханский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды", применением современных программных математических пакетов MathCad, Excel.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Научная сессия МИФИ-2007; Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ- 2007», 18-20 апреля 2007 г., Астрахань; Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2008» 15-18 апреля 2008г.; Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Москва МЭИ, 2009; Каспийский инновационный форум, 8-10 февраля 2009г., г. Астрахань; Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений», Москва, 16-20 ноября 2009г.; Научно-практический семинар «Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России», г. Астрахань, 14-16 апреля 2010 г.; Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс» 13-15 октября 2010 г., Астрахань; Всероссийская научно-техническая конференция "Энергетика: состояние, проблемы, перспективы" Оренбург, 2010г; Международная конференции с элементами научной школы для молодежи «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» Астрахань, 2010; V международная НПК «Энергосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство» 24-28 октября 2011г., Астрахань; Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012.; X Международная ежегодная конференция. «Возобновляемая и малая энергетика 2013», Комитет ВИЭ РосСНИО. М.: 2013.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Астраханского государственного университета при подготовке студентов по направлению 140600.62 -электротехника, электромеханика и электротехнологии. Пилотные проекты фотоэлектрических систем внедрены на ряде объектов Астраханской области.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрирована база данных для ЭВМ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Весь материал работы изложен на 198 страницах, включает 52 рисунка, 51 таблицу и 2 приложения. Список использованной литературы состоит из 119 наименований.

Основное содержание работы

Во введении приведена общая характеристика работы: актуальность темы исследования, цели и задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, методы исследования, положения, выносимые на защиту, результаты апробации.

В первой главе проведен анализ современного состояния солнечной энергетики в мире, рассмотрены направления развития альтернативной энергетики в России, показана актуальность проблемы развития солнечной энергетики в Астраханской области.

Наибольшим валовым и техническим потенциалом возобновляемой энергии в России обладает именно солнечная энергетика. Совокупный потенциал солнечной энергии оценивается в 2300000 млн. тонн у.т., технический потенциал в 2300 млн. тонн у.т. Наибольшим потенциалом солнечной энергии обладают южные регионы России. Однако солнечная энергетика развивается в России очень медленно. В соответствии с государственной программой энергосбережения в России, доля ВИЭ в энергобалансе страны к 2020 году должна составить 4,5 %. Эти цифры далеки от аналогичных показателей стран, где развитию возобновляемой энергетики оказывается государственная поддержка.

Астраханская область является энергодефицитной и вынуждена закупать значительную часть потребляемой электроэнергии на федеральном оптовом рынке электроэнергии. Нехватка генерирующих мощностей и устаревшие основные фонды являются одними из главных энергетических проблем Астраханской области. Велика доля потерь энергии в электрических сетях. Низка энерговооруженность таких перспективных для Астраханской области видов экономической деятельности, как сельское хозяйство, рыболовство, туристический бизнес. Одним из направлений решения этих проблем может стать использование возобновляемых источников энергии и в первую очередь солнечной энергетики, имеющей наиболее высокий для Астраханской области ресурсный потенциал.

Во второй главе рассмотрены роль и значение ценологического подхода в анализе электропотребления, проведено обоснование принадлежности муниципальных образований (МО) Астраханской области к техноценозу, выделены этапы анализа техноценоза, разработаны ранговые параметрические распределения по электропотреблению МО Астраханской области.

Техноценологический подход уже нашел практическую реализацию при анализе систем электроснабжения отдельных предприятий и отраслей. В

настоящей работе предлагается использовать этот подход для анализа эффективности электроснабжения муниципальных образований. С учетом поставленной в настоящей диссертационной работе задачи предполагаем, что Астраханская область, с расположенными в ней МО (населенными пунктами) — это техноценоз, который обладает структурной устойчивостью и описывается ранговым распределением. В данном техноценозе в качестве особи выступает конкретный потребитель электроэнергии, а именно МО. Предложенный техноценоз включает в себя 167 МО Астраханской области (за исключением города Астрахани). В свою очередь почти каждое муниципальное образование включает в себя ряд поселений. В качестве количественной характеристики особей для рассматриваемой задачи принимаем месячное и годовое электропотребление.

Выделение и описание техноценоза сопровождается формированием базы данных. В рамках этой процедуры в настоящем исследовании осуществлен сбор информации по исследуемой области, а именно, данных о потреблении населенными пунктами электроэнергии с историей на глубину 6 лет за период с 2005 по 2010гг. Это позволило получить развернутую картину электропотребления и создать электронную базу данных для дальнейшего анализа. Данные об электропотреблении получены от энергосбытовой компании. В настоящей работе исследование проведено с помощью рангового параметрического распределения, описываемого выражением (таблица 1):

где г - ранг по параметру, в порядке убывания параметра располагают объекты. Wl - максимальное значение параметра особи с рангом 1, т.е. в первой точке; г — номер ранга; Р - ранговый коэффициент, характеризующий степень крутизны кривой распределения.

Таблица 1

Фрагмент табулированного рангового распределения МО за 2010 г.

Ранг Наименование МО 2010 год, млн.кВт-ч

январь февраль март ноябрь декабрь

1 г. Харабали 1,611 1,617 1,917 1,7380 2,417

2 г. Ахтубинск 1,432 1,6475 1,602 1,7049 2,8590

3 Черноярскии с/с 1,234 1,3738 1,22547 1,0000 1,9580

4 Красноярский с/с 1,212 0,6850 0,4560 0,8500 1,0120

5 Икрянинский с/с 0,8124 0,6330 0,7070 0,8816 1,2220

6 г. Камызяк 0,757 0,7368 0,5916 1,0820 1,3730

7 ЗАТО Знаменск 0,665 1,2930 1,0280 1,0780 1,8520

8 Началовский с/с 0,580 0,4850 0,5650 0,7360 1,2830

165 Степновский с/с 0,007 0,0010 0,00029 0,00100 0,0070

Ранг Наименование МО 2010 год, млн.кВт-ч

январь февраль март ноябрь декабрь

166 Хошеутовский с/с 0,006 0,0280 0,0280 0,02300 0,0500

167 Хуторской с/с 0,002 0,0010 0,0016 0,00100 0,0020

Дальнейший анализ выполнен для 159 МО. Несколько мелких МО исключены из рассмотрения из-за неполноты исходных данных. Совокупность полученных ранговых распределений по параметру электропотребления задает ранговую поверхность //-распределения, представленную на рисунке 1.

ранг г

Рисунок 1. Трехмерная ранговая поверхность техноценоза МО Астраханской области за период с 2005 по 2010гг. абсцисса - ранг объекта; ордината -временной интервал (год); аппликата - электропотребление, тыс. кВт-ч.

Проведена проверка данных на соответствие критериям Н-распределения, которая была сведена к проверке совместного выполнения двух гипотез: 1) совокупность данных не подчиняется нормальному закону распределения (закону Гаусса); 2) данные являются значимо взаимосвязанными.

Проверка первой гипотезы о несоответствии генеральной совокупности данных нормальному распределению в диссертационной работе осуществлена при помощи критерия Пирсона. При анализе принадлежности к области нормальных распределений по критерию Пирсона, получены следующие значения эмпирических частот х2 = 9,265*106 , у\р = 18,307. На основании полученных данных %2>%2кр, можно сделать вывод, что гипотеза о нормальном распределении генеральной совокупности отвергается. Данный вывод подтверждается также при проверке данных методом спрямленных диаграмм.

Вторая гипотеза - исследование взаимосвязанности техноценоза -проверена с помощью коэффициента конкордации:

т ■ (п -п)

где £> - отклонение суммы рангов объекта (элемента) от их средней суммы для п объектов (элементов);

т — количество временных точек траектории движения показателя. Коэффициент конкордации показывает согласованность перемещения объектов по ранговой поверхности. Этот коэффициент характеризует устойчивость ранговой поверхности в целом, взаимосвязь на системном уровне тенденций развития объектов. Если все ранги при движении по ранговой поверхности совпадают, то IV = \; если полностью не совпадают - то IV = 0. Таким образом, если 0 < IV < 0,5, то коэффициент конкордации не значим, если он значим. Для исследуемой совокупности данных коэффициент конкордации значим (\У=0,67), что свидетельствует о взаимосвязанности исследуемого техноценоза. Проверка двух гипотез показала, что генеральная совокупность данных является ярко выраженным техноценозом. Проведена аппроксимация рангового параметрического распределения МО по электропотреблению двумя методами (таблица 2, 3).

Таблица 2

Аппроксимация годовых ранговых распределений по методу наименьших модулей

Т, год Параметры распределения Аналитическая зависимость

Р

2005 1,77б*104 0,719 1,776 «10* 11/ - ,,0.71»

2006 2,044*10" 0,729 2,044 * 10* ™ .0.72,

2007 2,167*104 0,737 2,167.10« IV —

2008 2,169*104 0,713 2,169.10* IV =- г0,711

2009 2,498* 104 0,748 2,493.10* IV —

2010 3,221*104 0,769 3,221.10* IV _ г0.76»

Таблица 3

Аппроксимация годовых ранговых распределений _по методу наименьших квадратов

Т, год Параметры распределения Аналитическая зависимость

\У1 Р

2005 3,737*10" 0,959 3.737.10* IV г0.95»

2006 4,15*10" 0,961 4,15.10* — у0,9б1

2007 4,055*10" 0,941 4,055.10* IV =- 7-0.941

2008 4,577*10" 0,955 4,577 .10* IV - 7-0.955

2009 4,57*10" 0,95 4,57 .10* И'" .0.9,

Т, год Параметры распределения Аналитическая зависимость

\У1 Р

2010 5,587* 104 0,95 5,587 » 10* IV - ,га,9з

В результате оценивания по истинной ошибке есть основания признать более корректным метод наименьших квадратов.

Для определения объектов, потребляющих электроэнергию аномально, произведено интервальное оценивание параметрического распределения.

Применительно к электропотреблению, если точка на ранговом распределении входит в доверительный интервал, то в пределах гауссового разброса параметров можно судить, что данный объект потребляет электроэнергию нормально. Обратный случай — свидетельствует об аномальном потреблении. Для того, чтобы выявить объекты с аномальным потреблением электроэнергии и определить очередность корректировки потребления электроэнергии объектами, необходимо определить количество точек, находящихся выше и ниже доверительного интервала, а также попавших в него (рисунок 2).

1

О 50 100 150

1

Рисунок 2. Попадание точек (объектов) параметрического распределения МО по электропотреблению в доверительный интервал, 2010г.: абсцисса-ранг объекта;

ордината - индикатор.

Индикатор принимает значение 0, если точка находится внутри доверительного интервала. Индикатор равен 1, если точка находится выше границы доверительного интервала. Индикатор имеет значение (-1), если точка оказывается ниже границы доверительного интервала. Объекты, отмеченные индикатором (-1), имеют годовое электропотребление ниже идеализированного (аппроксимированного) значения. Такие объекты нуждаются в улучшении электроснабжения.

С целью корректировки электропотребления МО не только по отклонению от нормы, но и с учетом социальных показателей в настоящем исследовании предлагается также построение ранговых параметрических распределений по удельному электропотреблению. Обладая информацией о годовом электропотреблении (тыс. кВт-ч) и численности населения N того или иного муниципального образования (в соответствии с данными переписи населения в 2010 г.), значение удельного электропотребления вычисляем по формуле:

\V

Результаты расчета удельного электропотребления представлены в таблице 4.

Таблица 4

Фрагмент табулированного рангового распределения по удельному _электропотреблению__

Ранг Наименование МО N Численность населения, чел \У Потребление 2010, тыс. кВт-ч Удельное потребление, тыс. кВт-ч/чел.

1 Поселок Нижний Баскунчак 365 1178,60 3,229

2 Поселок Верхний Баскунчак 2791 5546,50 1,987

3 Каменноярский сельсовет 1022 2011,88 1,968

4 Успенский сельсовет 1038 1848,61 1,781

5 Черноярскии сельсовет 7834 12047,27 1,537

6 Старицкий сельсовет 2144 2820,80 1,315

157 Степновский сельсовет 80 18,33 0,229

158 Верхнебузанский сельсовет 2049 341,00 0,166

159 Ахматовский сельсовет 1023 128,60 0,125

На основе полученных данных построено рангово-параметрическое распределение (рисунок 3).

Проведена аппроксимация по методу наименьших модулей и методу наименьших квадратов. Для выявления объектов с аномальным удельным электропотреблением проведено интервальное оценивание параметрического распределения (рисунок 4).

Рангово параметрическое распределение (2010 г)

Ранг г

Рисунок 3. Ранговое параметрическое распределение техноценоза МО Астраханской области по удельному электропотреблению (кВт-ч/чел.), 2010г.

I; о • • •

-1

Рисунок 4. Попадание точек (объектов) параметрического распределения МО по удельному электропотреблению в доверительный интервал, 2010г.: абсцисса-ранг объекта; ордината - индикатор.

В результате проведенного анализа были выявлены объекты (МО) с аномальным общим и удельным электропотреблением.

В третьей главе проведен анализ климатических особенностей Астраханской области как фактора перспективности развития солнечной энергетики, рассмотрены вопросы формирования списка очередности размещения фотоэлектрических систем (ФЭС) и расчета их мощности, разработана методика повышения эффективности электроснабжения МО на основе внедрения ФЭС. Оценка перспективности развития солнечной энергетики на территории региона определялась путем обобщения достаточно большого объема данных по солнечной радиации Астраханской области, полученных из Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (таблица 5).

Таблица 5

Средние месячные и годовые суммы прямой, рассеянной и суммарной солнечной _радиации и радиационного баланса по г. Астрахани, МДж/м2

Тип радиации Перио д Месяц Год

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Прямая, Э' 20002009 45 88 195 285 443 489 512 463 332 173 56 36 3134

Рассеянная, О 88 125 207 221 251 244 226 196 151 129 74 64 1963

Суммарная, (2 132 213 402 506 698 733 738 659 483 302 130 100 5097

Радиационны й баланс 19922009 22 57 157 254 318 364 342 295 219 114 39 14 2195

В результате сравнительного анализа установлено, что по условиям солнечной радиации Астраханская область соотносится с рядом стран земного шара, в которых солнечная энергетика уже доказала свою состоятельность. Поскольку основополагающим фактором развития любого поселения является обеспечение благоприятных социальных условий, то при формировании списков очередности внедрения ФЭС предлагается в качестве главного использовать перечень МО с аномально низким удельным электропотреблением, а в качестве вспомогательного - перечень МО с аномально низким общим электропотреблением. Порядок формирования отражен в пункте 2 положений, выносимых на защиту. Требуемое приращение объема электропотребления МО определим как произведение Д№уд - отклонения от аппроксимационной кривой по удельному потреблению на N - численность населения. По сути дела это и будет величина дефицита выработки электроэнергии (таблица 6):

\Уд=Д\Ууд*К (4)

0 50 100 150

1

Таблица 6

Расчетное значение годового дефицита выработки электроэнергии из списков __^_ 1 -го и 2-го этапов строительства__

№ в очер еди Наименование МО Удельное электропотребление тыс.кВт-ч/2010 год Разница (отклонение от апроксимационной кривой по удельному электропотреблению), тыс.кВт-ч/год N Численность населения, чел wд Дефицит выработки электроэнергии, тыс.кВт-ч/год

1 Ахматовский сельсовет 0,126 0,379 1023 387,717

2 Верхнебузански й сельсовет 0,166 0,339 2049 694,611

3 Степновский сельсовет 0,229 0,277 80 22,160

4 Речновский сельсовет 0,322 0,187 900 168,300

32 Кочноватский сельсовет 0,965 0,029 2013 58,377

33 Крутовский сельсовет 0,930 0,032 754 24,128

34 Сеитовский сельсовет 0,915 0,033 1377 45,441

Расчетное значение годовой выработки электроэнергии ФЭС из списка 3-го этапа строительства совпадает с отклонением фактического электропотребления от аппроксимационной кривой параметрического распределения общего электропотребления.

Зная расчетное значение годовой выработки электроэнергии ФЭС можно перейти к определению установленной мощности. КПД реально используемых в настоящее время солнечных модулей варьируется от 13 до 17 % , хотя в литературе упоминаются и более высокие значения (до 32%). Принимаем среднее значение КПД солнечного модуля 15%. Результаты расчета приведены в таблице 7.

Таблица 7

ЛП1 тпЛлФЬ"! ГТТГППГГГ ШЖГТГ Л П<ГГГЛ1»> ТТЛ А ЛКППиЛ|ТЛТ|-Л1и1 Л^пллти

Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 год

кВт-ч/ м2 5 9 17 21 29 31 31 28 20 13 5 4 213

Соответственно, среднемесячная выработка по Астраханской области составит: q= 17,8 кВт ч/м2

Поскольку выработка электроэнергии ФЭС ограничена дневным временем суток, будем считать, что это в среднем составляет 8 часов или 1/3 часть суток. Исходя из значения годового дефицита выработки электроэнергии \УД, среднемесячной выработки электроэнергии солнечными модулями и режима работы ФЭС определим необходимую площадь солнечных модулей, м2:

Ш 1 I

12 д 3

где к„ = 1,3 - коэффициент, учитывающий потери порядка 30% в связи с движением солнца (при неподвижном положении солнечных модулей).

Установленная мощность фотоэлектрической системы, кВт:

8*30 ' (6)

где 8*30- количество часов выработки электроэнергии от ФЭС. Итого: годовая выработка ФЭС по Астраханской области составит а= 13463 тыс. кВт-ч/год, а суммарная установленная мощность Р = 6077 кВт. При этом площадь, занимаемая солнечными модулями, составит Б = 81937 м2. Суммарное электропотребление МО Астраханской области в 2010 году составляло 303395 тыс. кВт-ч. Следовательно, реализация предложенной программы внедрения ФЭС позволит обеспечить прирост выработки электроэнергии на 4,4%, что хорошо соотносится с целевым показателем 4,5% к 2020 году, приведенным в ФЗ № 261 от 29.11.2009г.

Таким образом, предлагаемая методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем включает:

• сбор данных помесячного и годового электропотребления муниципальными образованиями за период порядка трех-пяти лет;

• формирование ранговых параметрических распределений МО по общему электропотреблению;

• формирование ранговых параметрических распределений МО по удельному электропотреблению;

• определение коэффициентов аппроксимации, доверительных интервалов;

• интервальное оценивание;

• формирование списков очередности строительства фотоэлектрических систем в соответствии с относительной величиной отклонения от границ доверительного интервала;

• расчет энерговыработки фотоэлектрических систем на основании отклонения удельного электропотребления от аппроксимирующей кривой рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению;

• расчет установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем с учетом региональной среднемесячной энерговыработки солнечных модулей.

Применение разработанной методики позволяет определить перечень энергодефицитных МО, сформировать список очередности внедрения ФЭС и рассчитать установленную мощность ФЭС для конкретного МО.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и внедрения фотоэлектрических систем для муниципальных образований. Предложена классификация ФЭС, в которой в качестве основного классификационного признака использован уровень связи этих установок с электрическими сетями. Выделены фотоэлектрические системы трех уровней. Первый уровень: автономные фотоэлектрические системы (связь с электрической сетью отсутствует) с выходом по постоянному ФЭС 1.1 и переменному току ФЭС 1.2. Второй уровень: комбинированные фотоэлектрические системы (связь с электрической сетью частичная) с резервным электропитанием от сети ФЭС 2.1 и возможностью отдачи избыточной электроэнергии в сеть ФЭС 2.2. Третий

уровень: сетевые фотоэлектрические системы (связь с электрической сетью полная) ФЭС 3.

Рассмотрены требования к сетевым ФЭС по критерию качества электрической энергии. Поскольку в России, в том числе в Астрахани, планируется строительство солнечных электростанций, целесообразно дополнить ГОСТ Р 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», разделом, учитывающим ПКЭ для генерирующих установок на основе ВИЭ, как это осуществили в Германии. Рассмотрены особенности проектирования автономных ФЭС с корректным учетом ресурсов солнечной энергии для конкретной местности. Даны рекомендации по выбору элементов ФЭС: инверторов, аккумуляторных батарей, контроллеров. Разработаны и внедрены ФЭС для ряда объектов в МО Астраханской области. Приведены примеры реализованных систем согласно предложенной классификации: Автономный уличный фонарь с применением солнечного модуля в селе Старая Кучергановка Наримановского района Астраханской области (ФЭС 1.1.); Автономная фотоэлектрическая система для электроснабжения фермерского хозяйства в Лиманском районе Астраханской области (ФЭС 1.2); Автономная ФЭС для электроснабжения Храма в селе Пироговка, Ахтубинского района, Астраханской области (ФЭС 1.2); Комбинированные фотоэлектрические системы освещения подъездов в жилых домах г. Астрахани (ФЭС 2.1). Проведено технико-экономическое обоснование внедрения фотоэлектрических систем на территории Астраханской области, которое показало что срок окупаемости ФЭС типа 1.1, 1.2 менее одного года при необходимости прокладки линий электропередач, протяженностью более 2 километров, а срок окупаемости ФЭС типа 2.1,2.2 и 3 составляет не более 10 лет.

Заключение

Поставленная цель исследования: разработать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем - достигнута. Определенные в соответствии с целью задачи исследования решены. Получены следующие результаты:

1.Дана оценка современного состояния и тенденций развития солнечной энергетики в мире и в России, подтверждающая большую перспективность развития этого направления. В Астраханской области при высокой перспективности развития туристско-рекреационных услуг и агропромышленного комплекса (овощеводство, бахчеводство, животноводство) имеет место крайне низкая энерговооруженность этих сфер деятельности. Электропотребление в сферах сельского хозяйства, охоты и рыболовства в сумме составляет всего лишь 3% от общего электропотребления области. Одним из направлений решения этих проблем может стать использование ВИЭ и в первую очередь солнечной энергетики, имеющей наиболее высокий для Астраханской области ресурсный потенциал. Осуществлен сбор статистической информации по электропотреблению 159 МО Астраханской области с историей на глубину 6 лет за период с 2005 по 2010 годы. Это позволило получить развернутую картину электропотребления и создать электронную базу данных для дальнейшего анализа.

2. Обоснована возможность применения техноценологического подхода для анализа электропотребления МО Астраханской области. Разработаны ранговые

параметрические распределения МО по общему и удельному электропотреблению. Проведены интервальные оценивания параметрических распределений, на основе которых были выявлены МО, имеющие аномальное общее и удельное электропотребление.

3. Проведен анализ климатических особенностей Астраханской области как фактора перспективности развития солнечной энергетики. На основании процедуры оптимизации ранговых параметрических распределений общего и удельного электропотребления сформирован список очередности внедрения ФЭС в МО Астраханской области. Предложено выделить три этапа строительства. На основании процедуры оптимизации техноценоза предложено энерговыработку строящихся ФЭС определять на основании отклонения аномально низкого удельного электропотребления от аппроксимирующей кривой рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению. Мощность и площади строящихся ФЭС определяются с учетом региональной среднемесячной энерговыработки солнечных модулей.

4. На основании обобщения результатов проведенного исследования предложена методика повышения эффективности электроснабжения МО региона на основе внедрения ФЭС, содержание которой отражено в п.З Положений, выносимых на защиту. Благодаря использованию рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению предложенная методика обеспечивает возможность учета не только технической, но и социально-экономической составляющей электроснабжения региона.

5. Разработана структура и предложена классификация ФЭС, в которой в качестве основного классификационного признака использован уровень связи этих систем с электрическими сетями. Выделены ФЭС трех уровней.: первый уровень: автономные ФЭС с выходом по постоянному и переменному току (связь с электрической сетью отсутствует); второй уровень: комбинированные ФЭС с резервным электропитанием от сети и возможностью отдачи избыточной электроэнергии в сеть (связь с электрической сетью частичная); третий уровень: сетевые ФЭС (связь с электрической сетью полная).

6. Несмотря на большое количество показателей, ГОСТ Р 54149-2010 не учитывает показатели качества электроэнергии поставляемой ФЭС в сеть. На основе изучения зарубежного опыта эксплуатации сетевых ФЭС показана необходимость дополнения ГОСТ Р 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», разделом, учитывающим ПКЭ для генерирующих установок на основе ВИЭ.

7. Разработаны и внедрены пилотные проекты ФЭС для энергооснабжения объектов МО Астраханской области. Проведено технико-экономическое обоснование внедрения ФЭС на территории Астраханской области, которое показало, что срок окупаемости ФЭС типа 1.1, 1.2 менее одного года при необходимости прокладки линий электропередач, протяженностью более 2 километров, а срок окупаемости ФЭС типа 2.1, 2.2 и 3 не превышает 10 лет.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Результаты проведенного исследования могут быть использованы для разработки моделей развития солнечной энергетики в других регионах России и за ее пределами.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах перечня ВАК

1. Зайнутдинов P.A. Ранговое параметрическое распределение муниципальных образований региона по электропотреблению. Научный журнал «Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета». 2012, Т.16, №3 (48) С.258-263

2. Зайнутдинов P.A. Техноценологический подход к анализу элекгропотребления муниципальными образованиями Астраханской области. Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии. № 2(18), 2012г., С.140-145.

3. Зайнутдинов P.A. Опыт внедрения солнечно-ветровых автономных энергетических установок для электроснабжения фермерских хозяйств Астраханской области // Промышленная энергетика, №5, 2013 г. Москва, НТФ «Энергопресс» с. 50-54.

Зарегистрированные базы данных и программы для ЭВМ

4. Зайнутдинов P.A.. Электронная база данных «Солнечные электростанции» // Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2009620537. Правообладатель ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет». Зарегистрировано в Реестре баз данных 11 ноября 2009г. (Заявка № 2009620455 от 16 сентября 2009г).

Статьи в других изданиях

5. Абельдаев А.Р., Беляева В.А., Жаворонков Д.В., Зайнутдинов P.A. Оценка перспективности развития ветроэнергетики для рационального энергоснабжения Астраханской области // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов. В 17 томах. Т. 8. Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики. Физико-технические проблемы ядерной энергетики. Мощная импульсная электрофизика. М.: МИФИ, 2007. -С.31-32

6. Вознесенская Л. М., Беляева В.А., Абельдаев А.Р., Жаворонков Д.В., Зайнутдинов P.A.. Расчет среднегодовой выработки электроэнергии Ветроэнергетическими установками для отдаленных районов Астраханской области // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ- 2007»: материалы Всероссийской научной конференции 18-20 апреля 2007 г.: в 2 ч. / сост. И. Ю. Петрова. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2007. - Ч. 1.-С. 177-180.

7. Абельдаев А.Р., Беляева В.А., Жаворонков Д.В., Зайнутдинов P.A. Анализ эффективности применения ветроэнергетических установок по районам Астраханской области. Научно-технический журнал «Электрика», М.: 2007, №7, С. 26-29.

8. Абельдаев А.Р., Беляева В.А., Жаворонков Д.В., Зайнутдинов P.A. Анализ эффективности применения ветроэнергетических установок по районам Астраханской области. Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 13 / под ред. проф. Б.И. Кудрина. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С. 100-106.

9. Вознесенская Л.М., Зайнутдинов P.A., Караева В.В., Низамова С.Н. Оценка перспективности солнечной энергетики в Астраханской области на основе анализа ее климатических условий // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2008» [Текст]: 15-18 апреля 2008г. / сост. И.Ю. Петрова. -Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2008. - С.69-72.

10. Вознесенская Л.М., Зайнутдинов P.A. Климатические условия Астраханской области как фактор перспективности солнечной энергетики. Научно- технический журнал «Электрика», М.: 2008, №9, С. 26-28.

11. Зайнутдинов P.A. Разработка проекта системы электроосвещения офисного помещения с применением фотоэлектрических модулей. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 3. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С.353-354.

12. Жукоборский В.М., Зайнутдинов P.A. Система комбинированного электроосвещения офисного помещения с применением фотоэлектрической установки. Научно- технический журнал «Электрика», М.: 2009, №7, С 33 -35.

13. Зайнутдинов P.A. Разработка систем комбинированного электроосвещения на основе фотоэлектрических модулей для социально значимых объектов Астраханской области. Каспийский инновационный форум [Текст]: материалы выступлений (8-10 февраля 2009г., г. Астрахань) / отв. Ред. Г.Г. Глинин, И.Ю. Петрова. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2009. - С. 164-167.

14. Зайнутдинов P.A., Абельдаев А.Р. Эффективность применения фотоэлектрических станций на территории Астраханской области// Технетика и ценология: от теории к практике.

Общая и прикладная ценология./ Под. общ. ред. проф. Б.И. Кудрина. Вып.35. «Ценологические исследования». М.: МОИП МГУ - Технетика, 2009. - с.271-276.

15. Зайнутдинов P.A.. Перспективы развития альтернативной энергетики в Астраханской области. // Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. (Москва, 16-20 ноября 2009г) / под общей редакцией Б И. Кудрина и Ю.В. Матюниной. В 2-х т. М.: Технетика, 2009. Том I. С.236-238.

16. Зайнутдинов P.A. Анализ структуры энергозатрат образовательных учреждений. Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России [Текст]: материалы научно-практического семинара (г. Астрахань, 14-16 апреля 2010 г.)/ сост. JI.X. Зайнутдинова. -Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2010, С. 62-64.

17. Бегалиев Р.Р., Баждыков А.К., Зайнутдинов P.A., Кузбахов Т.И. Автономная фотоэлектрическая светодиодная система освещения для социально-значимых объектов. "Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс". Международная научно-практическая конференция. Том 4. [Текст]: 13-15 октября 2010 г./ сост. Е.В. Каргаполова - Астрахань: Издатель Сорокин Роман Васильевич, 2010. - 79-83 с.

18. Видинеев О.И., Зайнутдинов P.A., Тулепов А.К., Шумилин Д.В. Разработка проекта теплоснабжения учебного корпуса АТУ с применением теплового насоса. "Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс". Международная научно-практическая конференция. Том 4. [Текст]: 13-15 октября 2010 г./ сост. Е.В. Каргаполова - Астрахань: Издатель Сорокин Роман Васильевич, 2010. 88-91 с.

19. Зайнутдинов P.A. Разработка и внедрение фотоэлектрических осветительных установок для социально значимых объектов Астраханской области. Труды Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: состояние, проблемы, перспективы". - Оренбург- ОГУ 2010.-с. 11-14.

20. Вознесенская Л.М., Зайнутдинова Л.Х., Зайнутдинов P.A. Радиационный режим Астраханской области как фактор перспективности развития солнечной энергетики. Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии [Текст]: материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (г. Астрахань, 7-10 декабря 2010 г.) / сост.: В.Н. Пилипенко, A.B. Федотова. - Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом "Астраханский университет", 2010. - с. 7-9.

21. Зайнутдинов P.A. Показатели развития возобновляемой энергетики в мире. Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии [Текст]: материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (г. Астрахань, 7-10 декабря 2010 г.) / сост.: В.Н. Пилипенко, A.B. Федотова. - Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом "Астраханский университет", 2010. - с. 23-25.

22. Кузьмин А.Ю., Зайнутдинов P.A. О возможности использования тепловых насосов на территории Астраханской области. Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии [Текст]: материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (г. Астрахань, 7-10 декабря 2010 г.) / сост.: В.Н. Пилипенко, A.B. Федотова. - Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом "Астраханский университет", 2010. - с. 33-36.

23. Зайнутдинов P.A. Инвестиции в сфере возобновляемой энергетики // Энергосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство. Материалы V международной НПК 24-28 октября 2011г„ Астрахань: АИСИ, С.334-337

24. Зайнутдинов P.A. Повышение надежности электроснабжения фермерских хозяйств Астраханской области за счет внедрения солнечно-ветровых энергетических установок // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - 147-153 с.

25. Хафизов А.Д., Борячок В.В., 111 утки и О.И., Арапов М.А., Авилкин И.А., Теруков Е.И., Андроников Д.А., Малевский Д.А., Зайнутдинов P.A. О перспективах строительства сетевых солнечных электростанций. X Международная ежегодная конференция. «Возобновляемая и малая энергетика 2013». Сборник трудов Под редакцией П.П. Безруких, C.B. Грибкова Комитет ВИЭ РосСНИО. М.: - 2013. - С. 298-306.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201365601

ЗАЙНУТДИНОВ РУСТЕМ АХТЯМОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕГИОНА НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ (на примере Астраханской области)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ .... 11

1.1. Современное состояние солнечной энергетики в мире........................................ 11

1.2. Развитие альтернативной энергетики в России.................................................. 21

1.3. Основные проблемы развития солнечной энергетики в Астраханской области......... 30

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ...................................................................................... 42

2.1. Обоснование применения ценологической теории............................................. 42

2.2. Этапы анализа техноценоза муниципальных образований Астраханской области...... 45

2.3. Ранговое параметрическое распределение муниципальных образований Астраханской области по электропотреблению...................................................... 49

2.4. Анализ рангового параметрического распределения по удельному

электропотреблению......................................................................................... 67

ГЛАВА З.ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ........................................................ 76

3.1. Климатические особенности Астраханской области как фактор перспективности развития солнечной энергетики........................................................................... 76

3.2. Формирование списка очередности размещения фотоэлектрических систем по муниципальных образований Астраханской области............................................... 86

3.3. Расчет мощности фотоэлектрических систем для муниципальных образований Астраханской области...................................................................................... 90

3.4. Методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных

образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем......................... 100

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ............................................................... 103

4.1. Структура и классификация фотоэлектрических систем....................................... 103

4.2. Требования к фотоэлектрическим системам по критерию качества электрической энергии......................................................................................................... 110

4.3. Разработка и внедрение фотоэлектрических систем для автономного энергоснабжения на примере муниципальных образований Астраханской области......... 117

4.4. Технико-экономическое обоснование внедрения фотоэлектрических систем на

территории Астраханской области....................................................................... 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................... 142

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 147

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Табулированные ранговые распределения за период с 2005 по 2010гг. 158 ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перечень проектов ВИЭ, отобранных по результатам ОПВ, проведенного ОАО «АТС» в 2013 году................................................................. 191

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современные условия характеризуются возрастанием роли возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В мировой практике альтернативная энергетика и, в частности, солнечная энергетика развиваются очень быстро. Причем, тенденции развития солнечной энергетики показывают, что это самая быстрорастущая сфера возобновляемой энергетики. Причинами такого бурного развития являются: высокая технологичность производства солнечных фотоэлектрических модулей и солнечных коллекторов, малые эксплуатационные расходы, а также постоянно растущие тарифы на углеводородное сырьё, ухудшение экологической обстановки в мире и политические разногласия, стимулирующие страны мира к независимости в области энергетики. Во всём мире развитие ВИЭ занимает приоритетное место, которое поддерживается государствами на разных уровнях и разными способами. По итогам 2011 года высокого уровня использования ВИЭ для выработки электроэнергии достигли многие страны: Германия - 21%; Дания - 40%; Габон - 42%; Гватемала - 64%; Латвия - 51%; Новая Зеландия - 76%; Португалия - 47% [114].

Актуальность развития систем на основе ВИЭ и, в том числе, солнечной энергетики возрастает в связи с принятием 23.11.2009 года Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Это особенно актуально для энергодефицитных регионов, к коим в частности относится Астраханская область. Нехватка генерирующих мощностей и устаревшие основные фонды являются одними из главных энергетических проблем Астраханской области. Велика доля потерь энергии в электрических сетях. Низка энерговооруженность таких перспективных для Астраханской области видов экономической деятельности как сельское хозяйство, рыболовство, туристический бизнес. Часто возникают проблемы энергообеспечения населения, образовательных и медицинских учреждений в удалённых поселениях муниципальных образований. Одним из направлений решения этих проблем может стать использование возобновляемых источников энергии и в первую очередь - солнечной энергетики, имеющей наиболее высокий для Астраханской области ресурсный потенциал.

В современных условиях прогнозирование потребления на основе нормативов становится невозможным. Поэтому актуализируется определение объёмов электроэнергии и мощности для региона и для каждого муниципального образования как конечного потребителя на основе проведения детального анализа месячных и годовых объёмов электропотребления по каждому населённому пункту. Повышение эффективности электроснабжения региона требует разработки методики, основанной на новых предлагаемых подходах проектирования систем

электроснабжения с использованием рангового распределения систем муниципальных образований региона для теоретического определения вида ВИЭ и практической реализации использования фотоэлементов для пилотных и опытных проектов.

Модели и практика развития систем генерации на основе ВИЭ ограничиваются большей стоимостью единицы объёма и мощности электрической энергии, большей продолжительностью согласования технологического присоединения и длительностью процесса ввода в эксплуатацию электроустановок в масштабах региона, особенностями потребления электроэнергии во время суток из-за различия в сезонной составляющей, особенностях вида возобновляемого ресурса. Нами предлагается в масштабах региона с учётом особенностей потребления электроэнергии каждым муниципальным образованием последовательность введения в строй энергоустановок ВИЭ в различных населённых пунктах, решая расчётами вопрос о величине устанавливаемой мощности, необходимости подключения к энергосистеме для случая автономной работы и работы параллельно с энергосистемой. Существен вопрос о дифференцированном подходе к определению электропотребления отдельных населённых пунктов в зависимости от их роли в региональной структуре.

В настоящее время известны лишь отдельные примеры разработки режимов электропотребления и внедрения солнечной энергетики в различных регионах России. Эти проекты реализуются, как правило, в частном порядке и не затрагивают проблему электроснабжения на основе ВИЭ для региона в целом. Нет достаточного опыта разработки, внедрения и апробации фотоэлектрических систем для объектов муниципальных образований. Поэтому актуальны исследования электрообеспечения всех муниципальных образований с детализацией по каждому населённому пункту вплоть до конечных потребителей электрической энергии и мощности для решения надёжного и эффективного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии для автономных режимов их работы и работы с присоединением к электрическим сетям с потреблением и выдачей электроэнергии в сеть. Наряду с методическим и программным обеспечением важны разрабатываемые и реализуемые практические решения по применению фотоэлементов с целью демонстрации индивидуальных решений по установке ВИЭ и электроснабжению отдельных электроприёмников.

Таким образом, предлагается разработка методики региональной программы строительства фотоэлектрических систем и практика их реализации, которые учитывают социальные и климатические особенности регионов и способствуют решению проблемы повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований на основе внедрения фотоэлектрических систем в целом для региона и каждого конечного потребителя.

Объект исследования: электроснабжение потребителей (фирм и населения) муниципальных образований региона с учетом социально-экономических и климатических

условий.

Предмет исследования: месячные и годовые показатели электропотребления и численности населения муниципальных образований Астраханской области, климатические условия, теоретические и практические основы внедрения фотоэлектрических систем.

Цель исследования: разработать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем.

В соответствии с целью определены следующие задачи исследования:

1. Провести аналитический обзор состояния и тенденций развития солнечной энергетики в мире и Российской Федерации. Осуществить сбор и анализ статистической информации по электропотреблению муниципальных образований Астраханской области.

2. Адаптировать техноцено логический подход к анализу электропотребления муниципальных образований региона с оценкой рангового параметрического распределения по общему и удельному электропотреблению.

3. Провести анализ климатических особенностей Астраханской области с целью оценки перспективности развития солнечной энергетики. Разработать этапы и списки очередности размещения фотоэлектрических систем в МО региона. Произвести расчет мощности фотоэлектрических систем для МО Астраханской области.

4. Обобщить результаты исследования и сформулировать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, пригодную для использования в других регионах России и за ее рубежами.

5. Разработать структуру и классификацию фотоэлектрических систем, в которой в качестве основного классификационного признака будет использован уровень связи этих систем с электрическими сетями.

6. Сформулировать требования к фотоэлектрическим системам по критерию качества электрической энергии.

7. Разработать и внедрить пилотные проекты фотоэлектрических систем для энергоснабжения объектов МО Астраханской области, а также обосновать их экономическую эффективность.

Научная новизна исследования

1. Впервые рассмотрен техноценоз муниципальных образований региона по параметру электропотребления, что позволяет перейти к системному повышению эффективности электроснабжения региона.

2. Построены ранговые параметрические распределения по величине общего и удельного

электропотребления с учетом социально-экономической составляющей электроснабжения региона.

3. Предложена техноценологическая модель развития солнечной энергетики региона, в которой очередность строительства фотоэлектрических систем определяется относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала.

4. Разработана методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, которая может быть использована для создания техноценологических моделей развития солнечной энергетики в других регионах страны и за ее пределами.

Теоретическая значимость исследования:

Внесен вклад в расширение сферы применения техноценологического подхода за счет использования рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению при учете не только технической, но и социально-экономической составляющей электроснабжения региона.

Практическая значимость исследования:

На основе разработанной техноценологической модели сформированы списки очередности строительства фотоэлектрических систем для муниципальных образований Астраханской области.

На основе предложенной методики произведен расчет энерговыработки, установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем для муниципальных образований Астраханской области.

Разработаны и внедрены пилотные проекты фотоэлектрических систем для автономного энергоснабжения ряда объектов муниципальных образований Астраханской области.

Методология и методы исследования:

Методология исследований, представленных в диссертационной работе, основывается на системном и техноценологическом подходах к исследованию сложных технических систем, теории принятия решений, методах экспертного оценивания. Использованы методы экспертных оценок, методы математической статистики, прогнозирование, программные пакеты MathCad, Excel. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей, алгоритмов и программ, используемых при расчетах на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе статистики по электропотреблению установлено, что муниципальные образования региона (МО) могут быть описаны ранговым параметрическим распределением по общему и удельному электропотреблению. Адекватность такого подхода подтверждена проверкой на соответствие критериям Н-распределения.

2. Модель развития солнечной энергетики региона включает следующие этапы:

1-й этап реализуется на основе списка очередности строительства фотоэлектрических систем, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением и перечня муниципальных образований с аномально низким общим электропотреблением. Среди них первое место присваивается муниципальному образованию с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала. Второе место занимает муниципальное образование с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала после первого.

2-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа.

3-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким общим электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа. Очередность соответствует относительной величине отклонения общего электропотребления от границ доверительного интервала.

3. Методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем включает: сбор данных помесячного и годового электропотребления муниципальными образованиями за период порядка трех-пяти лет, формирование ранговых параметрических распределений муниципальных образований по общему и удельному электропотреблению, определение коэффициентов аппроксимации, доверительных интервалов, интервальное оценивание, формирование списков очередности строительства фотоэлектрических систем в соответствии с относительной величиной отклонения от границ доверительного интервала, расчет энерговыработки фотоэлектрических систем на основании отклонения удельного электропотребления от аппроксимирующей кривой рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению, расчет установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем с учетом региональной среднемесячной энерговыработки солнечных модулей.

4. Предложена классификация фотоэлектрических систем: автономные с выходом по постоянному и переменному току; комбинированные с резервным электропитанием от сети и с возможностью отдачи избыточной электроэнергии в сеть; сетевые фотоэлектрические системы.

Достоверность, обоснованность и апробация результатов

Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлена обоснованным выбором методов исследования, адекватных поставленным задачам, репрезентативностью объемов выборки по