Методика оценки и оптимизация параметров энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии: На прим. 
Ливана

Усложнение екологической ситуации и непрерывный рост цен на традиционные виды топлива стимулируют интерес к возобновляемым источникам энергии. Особое внимание уделяется при этом используемым с древних времен энергии ветра и солнечной энергии. Однако существенным сдерживающим фактором в развитии ветрои гелиоэнер-гетических систем является низкая плотность энергии 00,2 кВт/м2) в непосредственной близости от поверхности земли. С другой стороны очевидно, что ветер и солнечное излучение являются источниками нестабильного поступления энергии. Это не дает гарантии бездефицитного электроснабжения при отсутствии резервных источников энергии. Поэтому использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии в промышленных масштабах предполагает значительные капиталовложения на разработку, сооружение и эксплуатацию соответствующих установок.

Однако накопленный опыт использования маломощных ветроэлектрических установок и фотоэлектрических систем показывает, что применение их в комплексе с другими источниками энергии может оказаться эффективным и с экономической точки зрения вполне оправданным .

Учитывая современное состояние экономики и энергосистемы Ливана, а также его климато-географические особенности, в диссертации сделана попытка оценить техническую и экономическую стороны проблемы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Значительное количество ясных дней в году, а также относительная контрастность ветровых зон позволили рассмотреть различные по составу системы электроснабжения и обосновать соотношение установленных мощностей между разнородными источниками электроэнергии .

Исходя из уровня энергообеспеченности населения Ливана и его социальной структуры" в диссертации рассматривается вопрос обеспечения электрической энергией отдельных изолированных хозяйств с различным уровнем энергопотребления.

В качестве системы энергообеспечения рассматривается система, включающая ветроэлектрическую, фотоэлектрическую, аккумулирующую и дизель-генераторную (резервный источник) установки.

Исходя из актуальности проблемы обеспечения населения электроэнергией задача формирования структуры системы энергообеспечения на основе использования возобновляемых, источников энергии представляется актуальной.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

— на основе анализа климато-географических условий Ливана выделены три типовые зоны с характерным распределением потенциалов ветрои гелиоэнергии;

— разработана методика определения выработки ВЭУ с учетом особенностей ветрового потока, компоновки конструкции и размеров ветроэнергетической установки;

— предложен критерий технико-экономической эффективности комбинированного энергокомплекса, учитывающий приведенные затраты на его создание и эксплуатацию, а также влияние ущерба от недопоставки электрической энергии;

— разработана методика структурно-параметрической оптимизации энергокомплекса, позволяющая определять значения установленных мощностей компонентов, обеспечивающу минимальные затраты в заданных условиях применения;

— получены конкретные результаты, характеризующие эффективность применения комбинированных енергокомплексов для электроснабжения типовых объектов, расположенных в различных климато-географических зонах Ливана.

Практическая значимость работы определяется доведением результатов теоретических исследований и разработок до уровня, позволяющего эффективно использовать их при выборе и обосновании оптимальных структур и параметров комбинированных енергокомплексов и их компонентов с учетом уровня электропотребления и располагаемых потенциалов ветровой и солнечной энергии.

5.4. Выводы по главе 5.

Глава 5 содержит материалы оценки и исследования технико-экономической эффективности комбинированных ЭК на базе НВИЭ применительно к условиям конкретных климато-географических зон Ливана с учетом особенностей электропотребления различных типов объектов энергоснабжения. Решение задачи оптимального выбора структуры и параметров комбинированного ЭК при различных исходных данных, характеризующих условия применения, показало, что:

— оптимальная структура комбинированного ЭК и соотношение установленных мощностей основных компонентов практически не зависят от уровня электропотребления и определяются главным образом значениями и временным распределением потенциалов ветровой и солнечной энергии;

— в Приморском и Внутреннем районах в состав ЭК целесообразно включать совместно ветроэнергетические и фотоэлектрические установки, в то время как в Горном районе, вследствие малых значений средней скорости воздушных потоков, использование ветроагрегатов экологически неэффективно;

— при работе в составе оптимального комбинированного ЭК на долю НВИЭ приходится от 65 до 85% суммарной установленной мощности энергокомплекса;

— выработка электроэнергии источников, преобразующих энергии ветра и солнца, достигает 68−77% от общей выработки энергокомплекса (порядка 10 500 кВт. ч в год для жилого дома со средним уровнем комфорта);

— стоимость компонентов ЭК, использующих НВИЭ находится в пределах 45−60% общей стоимости оборудования комбинированного энергокомплекса;

— стоимость электроэнергии, вырабатываемой ЭК во всех исследованных климато-географических зонах, колеблется от 0.20 до 0.24 долларов за 1 кВт. ч, при этом стоимость производства электроэнергии отдельными компонентами ЭК составляет 0.13 дол./кВт.ч для ВЭУ, 0.15−0.20 дол./кВт.ч для ФЭУ, 0−30−0.33 дол./кВт.ч для ДГУ и 8−14 дол./кВт.ч для аккумулирующей системы;

— полученные результаты оценки экономической эффективности оптимальных комбинированных ЭК на базе НВИЭ хорошо согласуются с имеющимися в современной научно-технической литературе данными по опытной эксплуатации систем аналогичного типа.

Для более обоснованного подхода к выбору структуры и параметров комбинированного ЭК была проведена оценка альтернативных вариантов организации электроснабжения изолированных объектов, результаты которой сводятся к следующему:

— с точки зрения получения минимальной стоимости электроэнергии при условии полного удовлетворения потребностей объекта электроснабжения необходимо комплексное использование НВИЭ с традиционными источниками типа дизель-генераторных установок;

— сочетание ДТУ с агрегатами на базе НВИЭ позволяет снизить стоимость получаемой электроэнергии на 25−35% по сравнению с широко применяемыми дизельными электростанциями;

— попытки создания ЭК без резервного источника энергии при сохранении условия бездефицитности энергоснабжения ведет к резкому увеличению установленных мощностей ВЭУ и ФЭУ и многократному росту стоимости электроэнергии (до 0.5−1.5 дол./кВт.ч в зависимости от условий размещения);

— снижение стоимости электроэнергии при комбинировании ДТУ с НВИЭ достигается за счет уменьшения в 2.5−3.0 раза расхода топлива, стоимость которого в приведенных затратах на дизельную электростанцию достигает 75%.

Исследования влияния неопределенности в задании исходных стоимостных показателей компонентов дали следующие результаты:

— при стоимости топлива менее 0.1 дол./л стоимости электроэнергии" вырабатываемой комбинированным ЭК и дизельной электростанцией становятся приблизительно одинаковыми;

— при увеличении цены топлива до 0.25 дол./л стоимость производства электроэнергии комбинированным ЭК вдвое ниже чем ДГУ, а с дальнейшим ростом расходов на топливо экономический эффект еще более усиливается;

— рост капитальных затрат на ветроэнергетическую установку ведет к уменьшению оптимального значения установленной мощности ВЭУ и при 2500 дол./кВт ее применение в рассматриваемых климато-географических условиях становится нецелесообразным;

— увеличение коэффициента капитальных затрат на ФЭУ на каждые 1000 дол./кВт вызывает удорожание вырабатываемой электроэнергии на 2.5−3.0 цены за 1 кВт. ч, что в 1.5−2.0 раза меньше, чем при аналогичном увеличении затрат на ветроэнергетическую установку;

— использование фотоэлектрической установки с точки зрения обеспечения минимальной приведенной суммарной стоимости ЭК становится неэффективным при увеличении коэффициента капитальных затрат на ФЭУ более 3500 дол./кВт;

— изменение коэффициента капитальных затрат на дизель-генератор-ную установку практически не влияет на оптимальное распределение установленных мощностей компонентов ЭК, что объясняется малой долей стоимости оборудования в общих затратах на ДГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе проведения исследований в области оптимизации структуры и параметров комбинированных энергокомплексов на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии применительно к условиям Ливана были получены следующие результаты.

1. Тяжелое состояние, в котором находится энергосистема Ливана в настоящее время, а также ограниченность запасов традиционных энергоресурсов делают весьма актуальным решение проблемы вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников в энергобаланс страны, в первую очередь при организации автономного электроснабжения изолированных жилых объектов в удаленных от электрических сетей районах.

2. На основе анализа климато-географических условий Ливана выделены три типовые зоны: Приморская, Внутренняя и Горная с характерными распределениями потенциалов ветровой и солнечной энергий, со средней удельной мощностью ветровых потоков 0.029, 0.026, 0.014 кВт/м2 и потоков солнечной радиации 0.19, 0.22, 0.25 кВт/м2 соответственно.

3. Анализ социально-бытовых условий жизни населения Ливана, состава и характеристик используемых электроприборов позволил определить три типа объекта электроснабжения с максимальными значениями расчетной нагрузки 2.71, 5.07 и 11.7 кВт и сформировать годовые графики нагрузки для проведения дальнейших исследований и выбора оптимальных параметров комбинированного энергокомплекса на базе НВИЭ.

4. Сравнительная оценка требуемого уровня и режимов электро-потребления и располагаемых потенциалов ветровой и солнечной энергии, указывает на достаточно хорошую дополняемость потенциалов рассматриваемых НВИЭ в Приморском и Внутреннем районах, в то же время использование максимумов подводимой энергии осложняется их несовпадением во времени с максимумами характерных графиков нагрузки.

5. В качестве наиболее общего принципа построения комбинированного энергокомплекса предлагается вариант одновременного использования ветрои фотоэлектрических установок, резервного источника на базе дизель-генераторного агрегата и аккумулирующей системы на базе электрохимических батарей с необходимым дополнительным оборудованием.

6. Разработан комплекс математических моделей комбинированного ЭК обобщенной структуры и его компонентов, реализованный на ПЭВМ типа IBM PC/AT и позволяющий проводить исследования основных технических характеристик и показателей энергокомплекса, а также особенностей происходящих в них процессов.

7. Дана строгая математическая формулировка задачи оптимизации параметров комбинированного ЭК по критерию технико-экономической эффективности с учетом требований, предъявляемых к нему со стороны объекта энергоснабжения.

8. В качестве критерия эффективности комбинированного ЭК предложено использовать суммарные приведенные затраты на его создание и эксплуатацию, совпадающий по виду, при заданном уровне и режиме электропотребления, со стоимостью вырабатываемой электроэнергии.

9. На базе разработанных математических моделей ЭК, предложенных методик оценки экономических показателей его компонентов создан программный комплекс для структурно-параметрической оптимизации, основанный на использовании метода Хука-Дживса и позволяющий определять оптимальные для конкретных условий применения значения установленных мощностей дизельной, ветрои фотоэлектрической установок, обеспечивающие минимум принятого показателя эффективности.

10. Решение задачи структурно-параметрической оптимизации показало, что наиболее эффективным является комбинирование НВИЭ с традиционными дизель-генераторными агрегатами в Приморском и Внутреннем районах Ливана, для Горного района выявлена нецелесообразность применения в составе ЭК ветроэлектрических установок.

11. При использовании комбинированных ЭК стоимость вырабатываемой электроэнергии получается на 30−50% ниже, чем при электроснабжении тех же объектов от широко распространенных дизельных электростанций и составляет порядка 0.21−0.24 дол./кВт.ч.

12. Сравнение оптимального комбинированного ЭК с альтернативными вариантами организации электроснабжения заданных объектов показало его более высокую эффективность, хотя варианты комбинирования одного из рассматриваемых НВИЭ с дизельгенераторной установкой в Приморском и Внутреннем районах по стоимости электроэнергии лишь на 10−15% уступают оптимальному.

13. Значительное влияние на сравнительную экономическую эффективность комбинированного енергокомплекса оказывает стоимость дизельного топлива, с уменьшением которой менее 0.1 дол./л стоимость производимой электроэнергии становится близкой к аналогичному показателю дизельной электростанции.

14. Установлено, что увеличение удельных капитальных затрат более 2500 дол./кВт для ветроэнергетической установки и более 3500 дол./кВт для фотоэлектрической установки делает их применение в рассматриваемых зонах размещения практически нецелесообразным, при етом чувствительность стоимости электроэнергии к изменению капитальных затрат на фотоэлектрические установки в 1.5−2.0 раза ниже, чем для ветроагрегатов.

В целом анализ всей совокупности полученных в работе результатов позволяет сделать вывод о перспективности создания комбинированных энергокомплексов на базе НВИЭ для электроснабжения изолированных жилых и хозяйственных объектов с уровнем максимальной нагрузки 2−12 кВт в большинстве климато-географических зон Ливана, что позволит обеспечить существенное улучшение условий жизни населения удаленных от линий электопередач районов.