автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка модели электрообеспечения малого потребителя при использовании возобновляемых источников энергии

На правах рукопис:

Губанов Максим Михайлович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЯ МАЛОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ (НА ПРИМЕРЕ БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г я ноя 2013

Москва-2013

005540053

005540053

Работа выполнена на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий Национального исследовательского университета "МЭИ".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

кандидат технических наук

Ведущее предприятие:

Воробьев Виктор Андреевич профессор кафедры «Автоматизированный электропривод в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина»

Зайцев Евгений Зиновьевич начальник

электротехнического отдела ОАО «Гипротрубопровод»

ООО «ЭФ-ТЭК», г. Москва

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в аудитории М-611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

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

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокая централизация электроэнергетики в России вызывает проблемы надежного и экономичного электроснабжения малых отдаленных потребителей, к которым относятся частные дома, деревни, поселки, объекты малого бизнеса и сельского хозяйства. Стремительный рост цен на электроэнергию при неизменно высокой длительности аварийных отключений в распределительных сетях ставят под угрозу устойчивое экономическое развитие энергодефицитных регионов со значительной долей сельского населения. В условиях большой протяженности территорий и неравномерного распределения ресурсов для снижения транспортных потерь в сетях, повышения надежности и снижения вредного воздействия на окружающую среду целесообразно построение системы распределенной генерации на основе локально доступных и возобновляемых ресурсов.

В то же время высокая удельная стоимость производимой электроэнергии с использованием ВИЭ и технологическая взаимосвязанность объема производства с переменными климатическими условиями требует оптимизации энергетического баланса потребителя. Разработка и применение эффективных средств энергосбережения в ЖКХ позволяет значительно снизить общий расход энергоресурсов. Использование средств автоматизации для управления всей системой жизнеобеспечения здания создает комфортные условия проживания и трудовой деятельности людей. Общее снижение электропотребления и частичная замена электрической энергии другими видами энергии позволяют обеспечить полное покрытие нагрузок за счет применения ВИЭ и исключить зависимость от внешней инфраструктуры.

Появление таких энергонезависимых потребителей в виде частных жилых домов и целых поселков получило широкое распространение в развитых странах. В России в настоящее время построено и эксплуатируется несколько энергоэффективных жилых объектов. К ним относятся поселок «Экодолье» в Оренбурге, активный дом в Наро-Фоминском районе Московской области, офисные здания некоторых крупных зарубежных компаний в Москве, Санкт-Петербурге и Самаре. Применение энергосберегающих решений и использование ВИЭ для осуществления электроснабжения дачных коттеджей и частных домов получает все большее распространение не только в южных, но и центральных областях страны.

Наряду с проблемой внешнего электроснабжения малых частных потребителей стремительное развитие электрических и электронных приборов требует нового взгляда на проектирование систем внутреннего электроснабжения. Существующие стандарты базируются на нормах 60-80-х годов и не претерпели значительных изменений. Сейчас необходим индивидуальный подход к каждому заказчику и увязка электрической схемы с планируемым к установке оборудованием, теплотехническими, сантехническими и дизайнерскими решениями.

Использование устаревшего принципа определения электропотребления и электрической нагрузки «сверху» общим коэффициентом спроса на всех

коммунально-бытовых потребителей дает высокую погрешность. Поэтому в новых условиях стремительной интеллектуализации электрооборудования необходимо разработать систему проектирования электрического хозяйства с возможностью учета индивидуальных особенностей каждого объекта. Задача значительно усложняется при создании автономного частного потребителя, требующего функционирования всех систем, включая циркуляционные насосы и наружное освещение.

С учетом прогнозируемого приближения цен на энергоносители в России к уровню мировых и растущего внутреннего спроса на электроэнергию тенденция ухода потребителей от централизованного электроснабжения усилится. В этой связи актуально доказать региональным органам власти, что для . улучшения электрообеспечения потребителей и решения задач энергосбережения необходимо изменение подходов к проектированию системы внешнего и внутреннего электроснабжения в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Реализация подобных проектов требует правильной оценки возможностей каждого региона страны для автономного электроснабжения и построения модели электрообеспечения одного малого потребителя, которую можно будет перенести на целый поселок, район, область.

Целью работы является создание модели электрообеспечения малого потребителя на основе возобновляемых источников энергии при прогнозировании развития региональной энергосистемы.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ состояния и тенденций развития электроэнергетики Российской Федерации и систем электроснабжения малых потребителей.

2. Исследование европейского опыта проектирования, создания и эксплуатации энергонезависимых потребителей.

3. Установление технической и экономической целесообразности использования возобновляемых источников энергии для систем автономного электроснабжения на примере Брянской области.

4. Формулировка методологии расчета электропотребления региона в зависимости от состава потребителей и объема потребления.

5. Вариантное проектирование системы электроснабжения «умного» дома.

6. Разработка модели среднесрочного развития энергосистемы Брянской области с учетом электрообеспеченности малых потребителей.

7. Доказательство экономической эффективности применения технологии ВИЭ для «умного» дома в Брянской области.

Методы научных исследований. При выполнении работы применялись статистические и вероятностные методы, ценологический анализ, математическая модель нечетких чисел. Произведено математическое моделирование и анализ структуры объектов традиционной и возобновляемой генерации в условиях Брянской области. Результатом теоретических

исследований явились разработанные прикладные математические модели, реализованные посредством различных программных средств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модель электрообеспечения малого потребителя и поселений на основе ВИЭ для Брянской области. В отличие от ранее разработанных моделей в её основе лежит теория нечетких множеств для учёта неопределённости при прогнозировании электропотребления.

2. Разработана методика выбора оптимального состава системы электроснабжения на основе ВИЭ малых населенных пунктов Брянской области, в основе которой лежит авторская модель электрообеспечения частного потребителя и малых поселений.

3. Предложены рекомендации по использованию разработанной модели и методики в практике проектировщиков и разработчиков электрообеспечения малых поселений Брянской области.

Практическая ценность. Представленная модель «умного дома» может быть эффективно использована в государственных программах строительства жилья на земельных участках для создания комфортных, экономичных и экологичных условий проживания людей. Разработаны практические рекомендации по снижению электропотребления малых потребителей, построению системы автоматизации и управления системой жизнеобеспечения, использованию возобновляемых источников энергии. Данные рекомендации представляют собой комплексный подход, который может быть использован собственниками при строительстве новых и реконструкции существующих домов.

Использование результатов диссертации. Разработанная модель электробеспечения малых потребителей, методика прогнозирования электропотребления и методология выбора оптимального состава системы электроснабжения на основе ВИЭ были использованы в рамках проектной и консультационной деятельности ООО «Энергомашкомплект» (г. Брянск), ООО «Электромонтажная компания» (г. Люберцы), ООО «Активити» (г. Москва), ООО «Интер РАО - Инжиниринг» (г. Москва), что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 20Ц, 2012, 2013 годах и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи «Федоровские чтения - 2011» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 9-11 ноября 2011г.); XVI конференция по философии техники и семинар по ценологии «Общая и прикладная ценология» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 11 ноября 2011г.); X международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (г. Орёл, ОГТУ, 1 марта - 30 июня 2012г.); Всероссийкая молодежная научная конференция «Малютовские чтения» (г. Уфа, УГАТУ, 7-9 ноября 2012г.); XIX ежегодная международная научно-

техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, НИУ МЭИ, 28 февраля - 1 марта 2013г.); VIII Молодёжная Международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 27-29 марта 2013г.); VI Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике и промышленности» (г. Ульяновск, УЛГТУ, 21-22 апреля 2013г.).

В период с октября 2011 по март 2012 г. состоялась научная стажировка в Высшей школе Цитгау/Гёрлитц (Германия), в рамках которой было проведено исследование структуры регионального электроснабжения, способов и условий для интеграции ВИЭ в энергосистему, особенностей инженерных систем реализованных энергонезависимых домов и поселений. Представленные результаты были одобрены немецкими коллегами, намечены пункты совместного научного сотрудничества.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 32 таблицы и 27 иллюстрации. Список использованной литературы включает 150 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации научно-технической проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе рассмотрены существующее состояние и основные тенденции развития электроэнергетики России. Отмечены проблемы надежного и экономичного электроснабжения малых удаленных потребителей, вызванные высокой централизацией отрасли. В условиях протяженности территорий даже капиталоемкая модернизация электросетевого комплекса не позволит обеспечить стремительно растущие потребности регионального частного сектора в электроэнергии, что вызывает необходимость их перехода на собственные источники автономного электропитания. Анализ проблем технологических нарушений электроснабжения и их воздействие на абонентов показали необходимость создания децентрализованной энергосистемы, где каждый потребитель с собственной генерацией сможет быть независимым от внешней инфраструктуры, а также обеспечивать подпитку распределительной сети. Использование эффективных источников на основе ВИЭ является преимущественным на долгосрочную перспективу, ввиду их независимости от первичного топлива, отсутствия негативного воздействия на окружающую среду и постоянно совершенствующиеся производственные и экономические показатели. .

Проведен анализ нормативно-правовой базы по применению ВИЭ в России для электроснабжения малых потребителей, где обозначены основные меры государственной поддержки для реализации подобных проектов. Отмечено, что разработанные документы дают первоначальные основы применения ВИЭ, но не преследуют идею полной электрификации всей страны с переходом к децентрализованной энергосистеме, которая в условиях большой территориальной протяженности необходима для развития отдаленных регионов.

Проведен анализ зарубежного опыта создания малых энергонезависимых потребителей на примере европейских стран, который заключается во внедрении и развитии технологий «пассивного» и «умного» дома в ЖКХ с целью снижения общего энергопотребления и использование ВИЭ для полного покрытия оставшейся тепловой и электрической нагрузок. Выявлены технические особенности данных систем и оценен эффект энергосбережения. Отмечен индивидуальный подход к проектированию каждого объекта с взаимосвязанным принятием архитектурно-строительных, теплотехнических и электротехнических решений, комплексная автоматизация здания и интеграция наиболее эффективных для конкретного региона ВИЭ в эту систему.

Рассмотрены способы применения солнечных элементов и малых ветроэнергетических установок в качестве источника независимого электроснабжения частного потребителя. Установлены их основные технические, технологические и стоимостные показатели, а также необходимые комплектующие для автономного функционирования всей системы.

Ввиду широкого разнообразия в современном частном жилом доме электроприборов с различными техническими параметрами и режимами использования, которые в совокупности представляют собой пространственно ограниченную систему со слабыми связями, предложено рассматривать его как технический ценоз и использовать математический аппарат гиперболических //-распределений для прогнозирования электропотребления и электрических нагрузок.

Поставлена задача детального рассмотрения электротехнической структуры отдельно взятого малого потребителя и анализа возможности его автономного электроснабжения на основе использования технологий ВИЭ. Для доказательства эффективности внедрения ВИЭ требуется разработать математический инструментарий с учетом влияния местных экономических, экологических и социальных составляющих.

Во второй главе проведено исследование различных методов прогнозирования электропотребления, выявлены их преимущества и недостатки применительно к объектам малого потребления. Ввиду предложенного рассмотрения малого потребителя, как сообщества электроприемников, образующих единую систему при наличии слабых взаимосвязей и взаимодействий, т. е. техноценоз, для дальнейшего анализа выбран метод ценологического прогнозирования.

Для исследования структуры выделенного техноценоза, образованного сообществом электроприемников, используется модель рангового параметрического распределения:

Ж(г) =И\/гР, (1)

где Ж(г) - электропотребление (вырабатываемая электрическая мощность) особи с рангом г; И7} - электропотребление (вырабатываемая электромощность) особи первого ранга (особи с максимальным электропотреблением, вырабатываемой электромощностью); /? - ранговый коэффициент, характеризующий форму кривой - ее крутизну. Параметры и г полностью определяют форму кривой невозрастающей функции //-распределения. Построение и анализ полученной кривой осуществляется на основании сформированной базы данных обо всех особях техноценоза.

Выделены шесть уровней системы электроснабжения региона, где частный жилой дом отнесен ко второму уровню, граница которого условно проведена по вводному электрическому шкафу или щиту, питаемом на напряжении 0,4 кВ. Перечень электроприемников дома, ранжированный по значению номинальной мощности, определяет структуру техноценоза. Этот перечень может значительно изменяться в процессе эволюции, что дает основание утверждать о неустойчивом и изменчивом характере системы электроснабжения на втором уровне. В соответствии с топологической устойчивостью структуры техноценоза, эти изменения должны происходить в пределах параметров //-распределения, что дает возможность прогноза электропотребления и построения соответствующей модели устойчивого автономного электрообеспечения рассматриваемого объекта.

В целях повышения надежности в системах электроснабжения малых потребителей определена целесообразность подключения на втором уровне дополнительных источников энергии (ВИЭ), при выборе которых следует руководствоваться их доступностью, автономностью, техническими, экономическими и экологическими характеристиками. Предложено оценивать эффективность технологий ВИЭ показателем, характеризующимся отношением между достигнутыми (ожидаемыми) результатами и полученными издержками в ходе реализации этих технологий за некоторый промежуток времени, которые будут выражены в денежной форме.

В процессе реализации технологий ВИЭ возникают внешние эффекты, которые могут быть учтены включением в процедуру расчета эффективности социальной и экологической составляющих результатов функционирования технологий ВИЭ. В этом случае показатель эффективности запишется в виде:

где Et - произведенная электроэнергия, Э, и 5, - экологическая и социальная составляющие внешнего эффекта, X, - затраты, полученные в ходе реализации технологии на этапе и При этом все перечисленные значения характеристик технологии приведены к начальному моменту времени с помощью ставки дисконтирования - г,.

Внешние эффекты определяются улучшением условий труда, снижением заболеваемости населения, сохранении природных ресурсов, улучшении среды обитания человека и основаны на требованиях экологических законов, нормативно-правовых актов и правил, действующих на территории Российской Федерации и муниципальных образованиях по ограничению и сокращению выбросов и увеличению абсорбции парниковых газов.

Значения параметров формулы (2) в силу информационной неопределенности влияния внешней среды, возрастающей с увеличением времени прогноза, точно неизвестны, а известны лишь их наиболее ожидаемые значения и интервалы, в которых они могут находиться, поэтому для описания целесообразно использовать нечеткие числа и для определения показателя эффективности применить математический аппарат нечетких множеств.

Нечеткое число определяется своей функцией принадлежности - Цл(и), областью определения которой является универсальное множество - С/, к нему относятся все результаты прогноза, а областью значений является единичный интервал [0,1]. Степень принадлежности элемента ие1/к нечеткому множеству А оценивается значением функции принадлежности, чем больше ее значение, тем выше степень принадлежности данного элемента.

Для описания внешних эффектов целесообразно использовать треугольные нечеткие числа - N (рисунок 1).

Значение ординаты функции принадлежности нечеткого числа является уровнем принадлежности а, а абсциссы точек с одинаковыми величинами ординат функции принадлежности дают два значения, которые называются границами интервала достоверности. [7УП, и Ша'^а] представляют собой

А N

А /1 / 1 / ' V |\ 1 \ ' 1 \ 'Л—

Я. NI . N. Ж N

~ — интервалы достоверности нечеткого

Рисунок 1. Функция принадлежности числа дг на нулевом и а уровне треугольного нечеткого числа принадлежности соответственно.

На единичном уровне достоверности интервал вырождается в точку со значением N1. При этом интервал на нулевом уровне можно считать наиболее пессимистичной прогнозной оценкой параметра N и чем больше уровень а, тем оптимистичнее интервальная оценка рассматриваемого параметра.

Соотношение (2) в нечетких числах будет выглядеть:

г^т+пУ &

2( = (Е, + 3, + 3^

Для практического применения формулы (3) нечеткие числа были представлены в интервальной форме. Задан фиксированный уровень принадлежности а и определены соответствующие ему интервалы

достоверности для каждого прогнозного нечеткого параметра проекта ВИЭ (денежные потоки, затраты и ставка дисконтирования), выраженные в интервальной форме , 212], [гС1, г£2]. В результате выражение

(3) примет вид:

+ (4)

Тогда время окупаемости Т, определяемое из условия П > 1, может быть найдено из соотношения:

'Я-гЪЛ^ П2У (5)

ъи^Л1+ Е[=1г,1/(1+ п2)Т

Для определения величины выработай электроэнергии из ВИЭ необходимы данные метеорологических наблюдений прошлых лет на местности предполагаемого размещения. При этом для оценки возможности полной автономии потребителя выполняется анализ всей системы внутреннего электроснабжения. На примере современного частного жилого дома, который по оснащению электротехническими устройствами может быть классифицирован как «умный», выделены следующие основные подсистемы: управление. электропотреблением, управление освещением, система безопасности, система управления климатом, управление инженерными системами, управление видео- и аудиосигналами. Внедрение современных систем управления и расширение их функциональных возможностей приводит к появлению все более новых и сложных электрических устройств, состоящих из большого числа различных электрических элементов (электроприемников). Происходит процесс вариофикации, который заключается в интенсификации замены электроприемников на новые, разнообразные и сложные по своему составу и применяемых в них технологий, со сниженным электропотреблением.

В третьей главе приведен сравнительный анализ развития энергетического хозяйства и систем регионального электроснабжения Земли Саксония (Германия) и Брянской области.

Ранговое распределение населенных пунктов Саксонии с населением более 5 тыс. чел. (171 особь) по параметру численности проживающих аппроксимируется кривой с /?=0,944. По состоянию на 31 декабря 2011 проживало 4437 051 жителей в 2 326 603 домах. В 422 806 домах проживает одна семья, а в 159 558 домах - две, что составляет 33% от общего количества домов. Остальные семьи проживают в многоквартирных домах. Бытовое электропотребление в пересчете на 1 человека в 2000 г. имело максимальный показатель 1800 кВт-ч, для семей из 3-х человек - 3900 кВт-ч в год, из 5 -4400 кВт-ч в год.

Структура электропотребления Саксонии в период 2000-2010 гг. представлена на рисунке 2 и свидетельствует об эффективном применении мер энергосбережения в регионе. Как следует из данных, несмотря на повышение числа и разнообразия электроприемников в быту, электропотребление в

системе ЖКХ, объектах малого бизнеса и сельского хозяйства остается на прежнем уровне за счет внедрения и совершенствования технологий пассивного и умного дома. -Отмечено существенное снижение потерь в электрических сетях (почти на 80 %).

Элекгропотребление, ГВтч 10000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

■^Промышленность Транспорт ЖКХ юаш Бизнес с =-- Потери в сетях

Рисунок 2. Динамика электропотребления в Саксонии по отраслям.

В структуре выработки электроэнергии в Саксонии в период 2000-2010 гг. прослеживается стремительный рост доли ВИЭ (с 2,5 до 8,6 %), при этом наибольший прирост показывает ветровая и биоэнергетика. Суммарное производство электроэнергии из ВИЭ в 2010 г. составило 37431 ГВтч.

Несмотря на энергоизбыточность региона и наличие 14 крупных электростанций (свыше 100 МВт) суммарной мощностью 5368 МВт, работающих преимущественно на территориально-доступных видах энергии: буром угле (72 %), гидроэнергии (19,5 %), анализ структуры вновь вводимых генерирующих мощностей показывает, что происходит процесс децентрализации с переходом на локальную выработку за счет малых возобновляемых источников. Согласно статистике более 80 % существующих ВЭС в регионе имеют установленную мощность менее 5 МВт и расположены в относительной близости к малым поселениям, более 90 % СЭС имеют мощность менее 20 кВт-пик, устанавлены на крышах частных домов и зданий общественного значения.

В Саксонии наблюдается устойчивая ценологическая структура генерирующих мощностей, характеризуемая оптимальным соотношением «малое-большое», где доля производства электроэнергии из ВИЭ сопоставима с долей отдельных (обособленных) домов с низким электропотреблением и долей электроэнергии, произведенной ВИЭ в Германии.

Ранговое параметрическое распределение населенных пунктов Брянской области с численностью более 5 тыс. чел. (33 особи) аппроксимируется кривой с /9=1,582. При анализе структуры электропотребления за 2001-2012 гг. (рисунок 3) отмечен рост электропотребления во всех отраслях. Ценологически доказанная неизменность рейтинга электропотребления и отсутствие решительных мер по энергосбережению в ЖКХ позволяет говорить о дальнейшем 3-5 % ежегодном приросте в этой сфере.

Электропотребление, ГВтч

2500 -|--

2001 2002 200В 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Рисунок 3. Динамика электропотребления в Брянской области по отраслям

В регионе существует острый дефицит электроэнергии, обусловленный практически полным отсутствием генерирующих мощностей. В 2012 г. работали 3 электростанции установленной мощностью 66 МВт при мощности максимальной нагрузки 823 МВт. Ввиду исторически сложившейся высокой централизации электроснабжения в области практически единственным источником питания являются два АТ 500/220 кВ ПС 750 кВ Новобрянская, срок эксплуатации которых превышает 40 лет. Проведенный технический аналяз показал, что уже в настоящее время в режиме зимнего максимума нагрузки при рассмотрении нормативного отключения одного АТ с учетом всех внешних связей загрузка оставшегося превысит допустимую на 18 %, что потребует незамедлительного введения в действие автоматики по отключению потребителей в объеме 70 МВт, а это порядка 50 населенных пунктов с населением более 10 тыс. чел. Отмечена высокая загрузка питающей сети 220 кВ, накладывающая ограничение на подключение новых потребителей к распределительным сетям. Выявлены проблемы качества напряжения в Клинцовском, Климовском, Злынковском и Новозыбковском районах из-за дефицита реактивной мощности в энергосистеме.

Для рассмотрения техноценоза потребителей электроэнергии Брянской области была условно проведена граница раздела потребитель-энергосистема (6 УР) по шинам 220 кВ ПС 750 кВ Новобрянская. К 5 уровню отнесены три ПС 220 кВ и все распределительные ПС 110 кВ, расположенные в промышленных и районных центрах. К четвертому уровню относятся РП б и 10 кВ, питающие населенные пункты. На третьем уровне расположены трансформаторы 10/0,4 и 6/0,4 кВ, от которых осуществляется электроснабжение малых потребителей.

На основании разработанной ценологической модели электрообеспечения Брянской области предложено создание самодостаточных малых потребителей в сельской местности за счет использования на 2-ом уровне автономных источников электроэнергии на основе ВИЭ. Оценка природного потенциала области указывает на возможность использования ветровой, солнечной энергии и биомассы.

Для осуществления интеграции ВИЭ в систему электроснабжения современного малого потребителя проведен детальный анализ структуры его электропотребления. На примере современного загородного двухэтажного коттеджа с цокольным этажом и земельным участком, предназначенного для комфортного проживания семьи из 5 человек, составлен перечень электроприемников, включающий 153 наименования-вида. На рисунке 4 представлено ранговое распределение электроприемников коттеджа по параметру установленной мощности и его аппроксимация по методу

В соответствии с полученным распределением можно выделить три наиболее характерные группы электроприемников:

1) Мощные (ранг 1-5 до точки перегиба аппроксимирующей гиперболы) - более 2,5 кВт. Имеют мощную резистивную или двигательную нагрузку, широко распространены и часто используются в быту.

2) Средней мощности (ранг 6-51 от точки перегиба до выхода на плато аппроксимирующей гиперболы) - 0,5-2,5 кВт. Включает распространенные бытовые приборы и электроинструмент, имеющие сравнительно низкий уровень нелинейности.

3) Малой мощности (ранг 52-153, расположенные под кривой аппроксимирующей функции) - менее 0,5 кВт. Самая многочисленная группа, состоящая из бытовой электроники и электроосветительных приборов с высокой вероятностью и продолжительностью использования.

В целях повышения надежности внутреннего электроснабжения, электроприемники разбиваются на группы в соответствии с характерными признаками электропотребления, местом расположения, установленной мощностью и спросом, и каждая группа запитывается от разных силовых щитов. В результате получаем 3 группы, расчетные параметры которых представлены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетная нагрузка групп потребителей

Группа Щит Руст? кВт Ррасч? кВт ^расч? кВА 1расч5 А

Группа 1 ЩС-1 45,53 10,85 11,74 17,8

Группа 2 ЩС-2 32,81 7,89 8,78 13,3

Группа 3 ЩС-3 3,39 1,77 2,98 4,5

Е ЩР 81,69 20,59 22,99 39,4

Для построения графика нагрузки дома проведен анализ эмпирически определенных значений потребляемой мощности на объектах-аналогах с соответствующим набором и спецификой использования электроприемников. За основу взяты ежесекундные измерения активной мощности, выполненные на вводе в каждый дом в австрийском энергоэффективном поселке из 30 домов в течение одной зимней и одной летней недель. На основании анализа были построены усредненные графики электрической нагрузки для дней контрольных замеров: зимний рабочий день, зимний выходной день, летний рабочий день, летний выходной день (рисунок 5), - и рассчитаны характерные коэффициенты базовости, неравномерности, выравненное™, заполнения, использования установленной мощности и резерва (таблица 2). Значение годового электропотребления находится в интервале [4680, 7020] кВт'Ч в год.

Знмний рабочий день Зимний выходной дань

/ л

/ \

/ X, У

V /

V

20 И

Летний рабочий день

Летний выходкой день

\

\

\ /

ч )

- \ •-л

\

/

Рисунок 5. Графики нагрузки для домохозяйства семьи из 5 человек с работающими родителями, двумя детьми и пенсионером. На основе проведенного исследования существующих пассивных и умных домов в Саксонии сформированы электротехнические решения, определяющие концепцию построения энергонезависимого потребителя в Брянской области. Разработана схема внутреннего электроснабжения (рисунок 6).

График нагрузки кб К„о •Квыр кзп Кисп Крез

Зимний рабочий день 0,4 0,27 0,05 0,68 0,12 0,18

Зимний выходной день 0,25 0,15 0,03 0,6 0,13 0,21

Летний рабочий день 0,35 0,25 0,02 0,72 0,06 0,09

Летний выходной день 0,31 0,2 0,02 0,66 0,05 0,08

Определены параметры современной розеточной сети и сети освещения с учетом вариантов прокладки кабелей. Составлен полный перечень электрооборудования дома, учитывая светотехнические, электроустановочные и кабельные изделия. Классифицированы типы помещений по освещенности и количеству розеток. Описаны требования по установке устройств защиты электрооборудования от перенапряжений, перегрузок и коротких замыканий.

Представлена система автоматизации здания, обеспечивающая контроль и управление расходом электроэнергии. Выделены 3 иеархических уровня: первичные датчики, микроконтроллеры, сервер, - объединенные посредством технологии LON (Ethernet). Описаны основные сигналы и алгоритмы управления для каждой подсистемы.

В четвёртой главе рассмотрен вариант автономного электроснабжения современного коттеджа в Брянской области с использованием ВИЭ. Выбор состава и параметров ВИЭ осуществлен на основе справочных климатических данных региона и технических характеристик наиболее распространенного генерирующего оборудования.

Для обеспечения потребности первой группы электроприемников к использованию рекомендованы две ВЭУ мощностью 5 кВт с запуском при скорости ветра 2,5 м/с. Минимальное годовое производство электроэнергии при самых неблагоприятных ветровых условиях составит около 8640 кВт-ч, при этом за три наиболее холодных месяца производство составит около 5400 кВт-ч. Система оснащается аккумуляторными батареями емкостью по 200 А-ч в количестве 12 шт. и инвертором мощностью 10 кВт.

На основе данных по уровням солнечной инсоляции в регионе и продолжительности солнечного сияния (в среднем 1850 ч) проведены расчеты выработки электроэнергии и выбран оптимальный состав солнечных элементов с КПД 18 %. Для электроснабжения 1-ой группы дополнительно принимается к установке 4 модуля мощностью 200 кВт-пик, АКБ 100 А-ч - 4 шт., инвертор 2 кВт, контролер заряда 30А. Для питания 2-ой группы электроприемников устанавливаем 16 аналогичных солнечных модулей, для 3-ей - 6, с оснащением вспомогательным оборудованием. Схема подключения ВИЭ представлена на рисунке 6.

Осуществлена оценка эффективности ВИЭ и срока окупаемости проекта на базе прогнозных значений электропотребления установленных приемников. Исходными данными для прогноза является: мощность установленного электрооборудования, значение электропотребления современных жилых домов в Брянской обл.; среднегодовое электропотребление на 1 человека; данные по электропотреблению домохозяйствами Саксонии.

Расчет срока окупаемости проекта ВИЭ определяется из условия превышения суммы денежных потоков полученных от производства электроэнергии над суммой всех произведенных затрат на их внедрение и эксплуатацию. Момент времени выполнения этого условия будет равен сроку окупаемости проекта ВИЭ. При этом расчеты производятся по годам.

«41 я с. ж г

1 г|. в »1

|р

5

Рисунок 6. Схема электроснабжения умного дома

Величина денежных потоков полученных от производства электроэнергии с использованием технологий ВИЭ определена на основе текущей и прогнозной стоимости тарифа за 1 кВт-ч. В затратах учтена стоимость установки ВИЭ, технологического и физического подключения к распределительным сетям. Социально-экологическая составляющая внешнего эффекта функционирования технологий ВИЭ имеет значение от 0,5 до 0,7 экономической составляющей.

Для расчета разработана программа в среде МАТЪАВ Я2007Ь на основе алгоритма, описанного во 2 главе. Оценка эффективности выражена в интервальном представлении на некотором а уровне нечеткого числа, характеризующимся границами интервала: [РьР2] - без учета внешних эффектов, и с их учетом - [РишшРгзшп]- На рисунке 7 показаны графики показателей эффективности проекта, рассчитанного с учетом прогнозируемого 10% роста тарифов в год на электроэнергию.

Время экономической

окупаемости проекта ВИЭ находится в интервале 9-17,5 лет, при учете социально-экологического эффекта время окупаемости составит 5-7,5 лет, что является приемлемым

результатом.

В целях создания возможности резервирования электроснабжения домов в поселке рассмотрен вариант их объединения кабельными линиями. Выбор оптимального состава ВИЭ выполнен на примере поселка из 12 современных индивидуальных домов.

В соответствии с разработанной методикой на основании данных замеров суточного электропотребления для каждого типа домохозяйств проведено вычисление месячного и годового электропотребления и выбрана оптимальная ценологическая структура генерирующих источников. Разработаны варианты схем подключения.

В приложениях представлены расчеты электрических нагрузок и электропотребления; расчеты выработки электроэнергии из ВИЭ; разработанные электрические схемы внутреннего электроснабжения частного дома; представлены программы определения электропотребления, эффективности использования ВИЭ; акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе на основе анализа статистических и практических данных теоретически обоснованы факторы, влияющие на проблемы электроснабжения малых потребителей и предложены пути их решения за счет использования возобновляемых источников энергии.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

Рисунок 7. Расчет эффективности проекта ВИЭ

1. Проведен анализ существующего состояния систем электроснабжения малых потребителей в Брянской области и в России в целом, выявлены основные проблемы и предложены пути их возможного решения за счет использования возобновляемых источников энергии.

2. Исследован и адаптирован к российским условиям европейский опыт в проектировании, создании и эксплуатации энергонезависимых потребителей на основе технологий умного и пассивного дома, применении ВИЭ для систем децентрализованного электроснабжения.

3. Разработан математический аппарат для анализа систем электропотребления и электрообеспечения малого потребителя, а также методика оценки эффективности использования технологий ВИЭ.

4. Выполнен сравнительный анализ электрообеспеченности потребителей в энергосистеме Саксонии (Германия) и Брянской области. Установлена техническая целесообразность использования возобновляемых источников энергии для создания системы децентрализованного электроснабжения в Брянской области наряду с мерами энергосбережения.

5. Предложена модель системы внутреннего и внешнего электроснабжения умного дома, которая позволяет обеспечить его автономное жизнеобеспечение на территории Брянской области.

6. Разработана методика прогнозирования электрообеспечения малых потребителей на примере поселка из частных домов, которые по критерию оснащенности электротехническим и электронным оборудованием можно считать умными.

7. Создана программа, позволяющая осуществлять выбор генерирующего источника по критерию наименьшего срока окупаемости строительства.

8. Доказана экономическая эффективность применения технологии ВИЭ для электрообеспечения умных домов и умных поселков в Брянской области. .

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Губанов, М.М. Концепция энергосбережения в ЖКХ Европейских стран / М.М. Губанов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2013. - №5.

2. Губанов, М.М. Особенности германского законодательства в области энергосбережения и применения возобновляемых источников энергии / М.М. Губанов // Промышленная энергетика, 2013. - №1. - С.54-61.

3. Губанов, М.М. Применение германского опыта в построении энергонезависимых систем / Б.И. Кудрин, М.М. Губанов // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов Х-ой международной научно-практической интернет-конференции, 01 марта - 30 июня 2012 г. -Орёл: Госуниверситет-УНПК, 2012. - 316 с. - С.13-16.

4. Губанов, М.М. Построение модели «умного дома» на основе ценологического Н-распределения / М.М. Губанов // Материалы XVI конференции по философии техники и семинара по ценологии (Москва, 11 ноября 2011 г.). Вып. 46. «Ценологические исследования». - М.: Технетика, 2012. - 408 с. - С.285-287.

5. Губанов, М.М. Разработка модели автономного электрообеспечения частного потребителя / М.М. Губанов // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 3. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - 256 с. - С. 106.

6; Губанов, М.М. Практическая реализация автономии частного потребителя / М.М. Губанов // Материалы докладов VIII Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 27-29 марта 2013 г.). В 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2013. - 292 с. -С.156-157.

7. Губанов, М.М. Электрообеспечение частного дома на основе возобновляемых источников энергии / М.М. Губанов // Федоровские чтения -2011. ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи (Москва, 9-11 ноября 2011 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С.2;02-204.

8. Губанов, М.М. Ценологический подход в реализации, программ энергосбережения региона / М.М. Губанов // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике и промышленности; сборник научных трудов Шестой Международной научно-технической конференции, г. Ульяновск, 21-22 апреля 2013 г. - Ульяновск: УлГТУ, 2013. - 428 с. - С.8-10.

9. Губанов, М.М. Пассивный дом - путь к энергетической независимости / М.М. Губанов // Малютовские чтения: Всероссийкая молодежная научная конференция: сб. тр. В 5 т. Том 2 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2012. - 278 с. - С. 66-67.

Подписано в печать М-И зак. т • тир. (00 п.л.

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

УДК 621.311 На правах рукописи

04201450144

Губанов Максим Михайлович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЯ МАЛОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

(НА ПРИМЕРЕ БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Кудрин Борис Иванович

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава I. Исследование технологий использования возобновляемых источников энергии для создания автономных систем частного электроснабжения.................10

1.1. Электроэнергетика России и системы электроснабжения малых потребителей...............................................................................................................10

1.2. Обзор зарубежного опыта создания энергонезависимых поселений..........18

1.3. Анализ технологий использования возобновляемых источников энергии для создания энергонезависимых систем.......................................................................27

1.4. Анализ ценологических методик обоснования электрообеспечения потребителей...............................................................................................................39

Глава II. Теоретические и методологические основы разработки ценологической модели электрообеспечения малого потребителя......................................................45

2.1. Анализ методик прогнозирования электрообеспечения малых потребителей...............................................................................................................45

2.2. Разработка методологии расчета затрат электроэнергии в зависимости от состава потребителей и объекта потребления.........................................................56

2.3. Исследование вариантов моделей систем электроснабжения «умного» дома, оценка их эффективности.......................................................„.............................62

2.4. Анализ системы электропотребления умного дома........................................69

Глава III. Разработка модели развития энергосистемы малого потребителя с учетом территориально-доступных энергоресурсов на основе ценологической устойчивости на примере Брянской области..............................................................75

3.1. Сравнительная оценка использования энергоресурсов и распределение малых домохозяйств в Саксонии (Германия)..........................................................75

3.2. Статистический анализ топливно-энергетических и человеческих ресурсов Брянской области........................................................................................................81

3.3. Разработка методики прогнозирования электрообеспечения малого потребителя Брянской области.................................................................................87

3.4. Разработка модели схемы электроснабжения умного дома...........................89

3.5. Разработка схемы электроснабжения умного дома.......................................100

Глава IV. Анализ и оптимизация структуры системы электроснабжения населенных пунктов с учётом ввода автономных потребителей...........................109

4.1. Применение ВИЭ для создания системы автономного электроснабжения умного дома...............................................................................................................109

4.2. Расчет затрат на проектируемый «умный дом», вычисление экономической эффективности и срока окупаемости проекта.......................................................114

4.3. Оптимальная структура электрообеспечения малого потребителя при использовании возобновляемых источников энергии..........................................126

4.4.Анализ результатов исследования и рекомендации по их применению......132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Высокая централизация электроэнергетики в России вызывает проблемы надежного и экономичного электроснабжения малых отдаленных потребителей, к которым относятся частные дома, деревни, поселки, объекты малого бизнеса и сельского хозяйства. Стремительный рост цен на электроэнергию при неизменно высокой длительности аварийных отключений в распределительных сетях ставят под угрозу устойчивое экономическое развитие энергодефицитных регионов со значительной долей сельского населения. В условиях большой протяженности территорий и неравномерного распределения ресурсов для снижения транспортных потерь в сетях, повышения надежности и снижения вредного воздействия на окружающую среду целесообразно построение системы распределенной генерации на основе локально-доступных и возобновляемых ресурсов. Приоритетным является использование ВИЭ малым потребителем в качестве второго независимого источника питания при наличии подключения к электрической сети и наличие обязательств у сетевых компаний по покупке избыточной электроэнергии из ВИЭ по специальным «зеленым» тарифам.

Для организации электроснабжения изолированных потребителей ВИЭ может стать альтернативой капиталоемкому сетевому подключению или использованию традиционных дизельных электрогенераторов. При этом высокая удельная стоимость производимой электроэнергии из ВИЭ и технологическая взаимосвязанность объема производства с переменными климатическими условиями требует оптимизации энергетического баланса. Разработка и применение эффективных средств энергосбережения в ЖКХ позволяет значительно снизить общий расход энергоресурсов. Использование средств автоматизации для управления всей системой жизнеобеспечения здания создает комфортные условия проживания и трудовой деятельности людей. Общее снижение электропотребления и частичная замена использования электрической

энергии другими видами позволяют обеспечить полное покрытие нагрузок за счет применения ВИЭ и исключить зависимость от внешней инфраструктуры.

Появление таких энергонезависимых потребителей в виде частных жилых домов и целых поселков получило широкое распространение в развитых странах. В России в настоящее время уже существуют единичные случаи создания энергоэффективных жилых объектов. К ним относятся поселок «Экодолье» в Оренбурге, активный дом в Наро-Фоминском районе Московской области, офисные здания некоторых крупных зарубежных компаний в Москве, Санкт-Петербурге и Самаре. Применение энергосберегающих решений и использование ВИЭ для осуществления электроснабжения дачных коттеджей и частных домов получает все большее распространение не только в южных, но и центральных областях страны.

Наряду с проблемой внешнего электроснабжения малых частных потребителей стремительное развитие электрических и электронных приборов требует нового взгляда на проектирование систем внутреннего электроснабжения. Существующие стандарты базируются на нормах 60-80-х годов и не претерпели значительных изменений. Но если раньше (по Постановлению ГКО СССР, 1944 г.) на квартиру устанавливалась одна розетка с максимальной нагрузкой в 5 А для проектирования электрической сети__использовались „лишь строительные — чертежи, то сейчас суммарная мощность может превысить 50 А, необходим индивидуальный подход к каждому заказчику и увязка электрической схемы с планируемым к установке оборудованием, теплотехническими, сантехническими и дизайнерскими решениями. Мощные электроприемники, как водонагреватель, стиральная машина или электрическая плита требуют отдельно автоматического выключателя, выбираемого по максимальной нагрузке, которая определяется режимом работы оборудования. Например, кондиционер может вырабатывать холод, тепло, изменять направление и силу обдува, что влияет на величину потребляемой мощности. Электрический чайник и микроволновая печь работают кратковременно, но имеют большую мощность. Значительно увеличилась количество малых осветительных приборов, питающихся от розеточной сети.

Использование устаревшего принципа определения электропотребления и электрической нагрузки «сверху» общим коэффициентом спроса на всех коммунально-бытовых потребителей дает высокую погрешность. При высокой чувствительности современной бытовой техники к качеству напряжения неожиданное нарушение рабочего процесса, вызванное перегрузкой автомата, недопустимо. Поэтому в новых условиях стремительной интеллектуализации электрооборудования необходимо разработать систему проектирования электрического хозяйства с возможностью учета индивидуальных особенностей каждого объекта. Задача значительно усложняется при создании автономного частного потребителя, требующего функционирования всех систем, включая циркуляционные насосы и наружное освещение.

С учетом прогнозируемого приближения цен на энергоносители в России к уроню мировых и растущего внутреннего спроса на электроэнергию тенденция ухода потребителей от централизованного электроснабжения усилится. В этой связи актуально доказать региональным муниципалитетам, что для улучшения электрообеспечения потребителей и решения задач энергосбережения необходимо изменение подходов к проектированию системы внешнего и внутреннего электроснабжения в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Реализация подобных проектов требует правильной оценки возможностей^ каждого региона страны для автономного электроснабжения и построения модели электрообеспечения одного малого потребителя, которую можно будет перенести на целый поселок, район, область.

С учетом существующих проблем доступности сетевой инфраструктуры и необходимости достижения региональной энергетической безопасности, задача разработки самодостаточной модели электрообеспечения малого потребителя при использовании возобновляемых источников энергии с учётом региональных особенностей является актуальной.

Целью диссертационной работы является создание модели электрообеспечения малого потребителя на основе возобновляемых источников энергии при прогнозировании развития региональной энергосистемы.

Основные задачи:

1. Анализ состояния и тенденций развития электроэнергетики Российской Федерации и систем электроснабжения малых потребителей.

2. Исследование европейского опыта проектирования, создания и эксплуатации энергонезависимых потребителей.

3. Установление технической и экономической целесообразности использования возобновляемых источников энергии для систем автономного электроснабжения на примере Брянской области.

4. Формулировка методологии расчета электропотребления региона в зависимости от состава потребителей и объема потребления.

5. Вариантное проектирование системы электроснабжения «умного» дома.

6. Разработка модели среднесрочного развития энергосистемы Брянской области с учетом электрообеспеченности малых потребителей.

7. Доказательство экономической эффективности применения технологии ВИЭ для «умного» дома в Брянской области.

Основные методы научных исследований

При выполнении работы применялись математико-статистические и вероятностные методы, ценологический анализ, математическая модель нечетких чисел. Произведено математическое моделирование и анализ структуры объектов традиционной и возобновляемой генерации в проекции на Брянскую область. Результатом теоретических исследований явились разработанные универсальные прикладные математические модели, реализованные посредством различных программных средств.

Научная новизна основных положений диссертационной работы, выносимых на защиту:

1. Разработана модель электрообеспечения малого потребителя и поселений на основе ВИЭ для Брянской области. В отличие от ранее разработанных моделей для других регионов в её основе лежит теория нечетких множеств для учёта неопределённостей в прогнозировании электропотребления.

2. Разработана методика и компьютерная программа осуществляющая выбор оптимального состава системы электроснабжения на основе ВИЭ малых населенных пунктов Брянской области, в основе которой лежит авторская модель электрообеспечения частного потребителя и малых поселений.

3. Предложены рекомендации по использованию авторской модели и методики в практике проектировщиков и разработчиков электрообеспечения малых поселений Брянской области.

Практическая ценность и реализация полученных результатов определяется разработкой практических рекомендаций по снижению электропотребления жилых и офисных зданий, построению системы автоматизации и управления системой жизнеобеспечения, использованию возобновляемых источников энергии. Данные рекомендации представляют собой комплексный подход, который может быть использован собственниками при строительстве новых домов и реконструкции существующих. Представленная модель «умного дома» может быть эффективно использована в государственных программах строительства жилья на земельных участках для создания комфортных, экономичных и экологичных условий проживания людей.

Апробация работы

Основные положения диссертации, её ^отдельные, решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры Э1111 МЭИ (ТУ) в 2011, 2012, 2013 годах и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи "Федоровские чтения - 2011" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 9-11 ноября 2011г.); XVI конференция по философии техники и семинар по ценологии «Общая и прикладная ценология» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 11 ноября 2011г.); X международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 1 марта - 30 июня 2012г.); Всероссийкая молодежная научная конференция «Малютовские чтения» (г. Уфа, УГАТУ, 7-9 ноября 2012г.); XIX ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и

энергетика" (г. Москва, НИУ МЭИ, 28 февраля -1 марта 2013г.); VIII Молодёжная Международная научная конференция "Тинчуринские чтения" (г. Казань, КГЭУ, 27 - 29 марта 2013г.); VI Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике и промышленности» (г. Ульяновск, УЛГТУ, 21-22 апреля 2013г.).

В период с октября 2011 по март 2012 г. состоялась научная стажировка в Высшей школе Циттау/Гёрлитц (Германия), в рамках которой был проведен анализ международного опыта по созданию автономных систем электроснабжения частных домов, намечены пункты совместного научного сотрудничества.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы

Диссертационная работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 32 таблицы и 27 иллюстраций. Список использованной литературы включает 150 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключениями 8 приложений-----

Глава I. Исследование технологий использования возобновляемых источников энергии для создания автономных систем частного электроснабжения

1.1. Электроэнергетика России и системы электроснабжения малых потребителей

Электроэнергетика Российской Федерации является базовой отраслью народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы всей страны, обеспечивающая производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов электрической энергии. При этом сбыт и потребление электрической энергии осуществляется посредством использования производственных и иных имущественных объектов, принадлежащих на праве собственности субъектам электроэнергетики либо иным лицам [1,2]. Процесс опережающего развития электроэнергетики и эффективное использование ее потенциала создают необходимые предпосылки для устойчивого роста отраслей экономики и повышения качества жизни населения страны.

К основным видам производства электроэнергии в РФ относится: тепловая, гидроэнергетическая и__атомная .генерация.- Электроэнергетический - комплекс — страны по состоянию конца 2012 г. состоит из около 600 электростанций, установленная мощность которых составляет 218 145,8 МВт [3]. По типам генерации действующие электростанции России имеют следующую структуру установленной мощности: тепловые электростанции 68,4%, гидроэлектростанции - 20,3%, атомные электростанции - около 11,1% и 0,2% другие [4,5]. Стоит отметить, что использование традиционных источников для производства электроэнергии в погоне за экономической рентабельностью требует строительства электростанций большой установленной мощности.

Возобновляемыми источниками энергии считают те источники энергии, запасы которых восполняются естественным образом, прежде всего за счет поступающего на поверхность Земли потока солнечной энергии, и в обозримой

перспективе, сопоставимой со временем существования челове�