Повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — это источники энергии ближайшего будущего. Они характеризуются экологической чистотой, высокой безопасностью, многие из них повсеместно доступны, а их ресурсы во много раз превышают обозримые потребности в энергии всего человечества. Но, несмотря на все положительные качества ВИЭ, им присущи и недостатки, основными из которых являются малая плотность, неравномерность географического распределения и нестабильность (суточная, сезонная, погодная) энергетических потоков. Несовершенство технологий также ограничивает их широкое распространение, однако решение этих проблем, несомненно, возможно. Уже сейчас уровень развития современной науки и техники позволяет успешно использовать ВИЭ для энергоснабжения потребителей в целом ряде случаев.

Существенная часть территории России является малозаселённой. Прежде всего, это районы Крайнего Севера, восточные регионы и горная местность. Для этих областей уже сейчас вопрос использования ВИЭ является первоочередным, поскольку передача туда электрической энергии по линиям электропередач крайне неэффективна, а доставка топлива обходится дорого.

Актуальность темы

.

Роль и место ВИЭ в топливно-энергетическом балансе стран всего мира уже очевидны. Население Земли начинает ощущать угрозу топливного «голода» и ухудшение состояния окружающей среды. В такой ситуации человечество должно быть готово к быстрому и эффективному переходу на новые источники, такие как ВИЭ, обеспечивающие неисчерпаемую и чистую энергию. Понимая это, руководство многих стран принимает множество законопроектов, так или иначе стимулирующих развитие ВИЭ, а также непосредственно инвестирует в связанные с ними проекты. В настоящее время и в РФ отмечается понимание будущей роли ВИЭ, за последние несколько лет подписаны [1]:

— указ Президента Российской Федерации от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»;

— распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии до 2020 года».

Установки на основе ВИЭ наиболее перспективны на данный момент для автономного электроснабжения, так как для 2/3 территории России, где проживает постоянно более 10 млн. чел., отсутствует централизованная система электроснабжения [2]. Наиболее рационально при этом комбинированное использование ВИЭ, поскольку оно имеет ряд преимуществ по сравнению с одиночным использованием. Так, например, солнечная и ветровая энергия обычно дополняют друг друга — как правило, при пасмурной погоде ветра сильнее, а в солнечные днислабее, что дает возможность использовать установки в составе гибридной системы значительно меньших мощностей, а, следовательно, и меньших стоимостей. Такие ВИЭ, как солнце и ветер, характеризуются высокой неравномерностью приходящей энергии, поэтому их комбинированное использование совместно с менее подверженными случайным факторам источниками, например, малым водотоком, позволяют повысить качество и бесперебойность электроснабжения.

Повысить эффективность автономных систем электроснабжения можно также благодаря использованию современной компонентной базы объединенной специализированной автоматической системой управления и контроля (АСУК), способной к оперативному распознаванию конкретных ситуаций, возникающих в системе, и соответствующей реакции на них согласно заранее выработанным алгоритмам. Подобного рода системы могут являться не просто новейшими системами электроснабжения, но и частью развития современной энергетики — концепции Smart Grids («умные» сети) [3]. Таким образом, исследование по формированию современных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ является актуальным и своевременным.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы" Министерства образования и науки Российской Федерации.

Степень разработанности темы исследования.

Вопросам комбинированного использования возобновляемых источников энергии для обеспечения электроснабжения автономных потребителей посвящено множество работ. Однако разновидности возобновляемых источников, учет их особенностей, а также необходимость использования дополнительного оборудования определяют разнообразие этих исследований.

Большое количество исследовательских работ в этой области связано с солнечно-ветровыми установками, а также гибридными установки на их основе. Так, исследования солнечно-ветровых комплексов с различными накопителями энергии рассматриваются в работах Попеля О. С., Андреева В. М., Забродских А. Г., Когновицких С. О., Nelson D.B., Nehrir М.Н., Wan С.

Множество готовых решений как гибридных, так и исключительно солнечно-ветровых установок предназначенных для автономного электроснабжения предлагается на сегодняшний момент рынком, однако они обладают рядом недостатков.

Отдельные части рассматриваемой тематики в части оптимизационного исследования представлены в работах Безруких П. П., Виссарионова В. И., Елистратова В. В., Попеля О. С., Chedid R., Kaabeche А. и др.

Большой вклад в развитие области возобновляемой энергетики также внесли такие российские ученые, как Алферов Ж. И., Андреев В. М., Антонов Ю. М., Арбузов Ю. Д., Вавилов B.C., Васильев A.M., Васильев Ю. В., Волшаник В. В., Гусаров В. А., Евдокимов В. М., Каган М. Б., Каргиев В. М., Кондратьев К. Я., Ландсман А. П., Лидоренко Н. С., Николаев В. Г., Полисан A.A., Потапов В. Н., Рябиков C.B., Стребков Д. С., Сокольский А. К., Тарнижевский Б. В., Тверьянович Э. В., Тепляков Д. И., Харченко В. В., Шеповалова О. В., а также зарубежные ученые Захидов P.A., Бекман У., Даффи Дж., Луке А., Клейн С., Колларес-Перейра М., Уинстон Р. и ряд других выдающихся ученых.

Целью диссертационной работы является повышение экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ за счет оптимизации их состава и параметров, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласования процесса производства и потребления электрической энергии, технологической эффективности за счет применения специализированной двухуровневой АСУК, построенной в рамках централизованного принципа управления.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (КСАЭ-ВИЭ) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является экономичность электроснабжения потребителя.

2. Провести оптимизационные исследования КСАЭ-ВИЭ для различных условий эксплуатации.

3. Разработать структурную и силовую схему КСАЭ-ВИЭ, позволяющую осуществить эффективное преобразование энергии, ее суммирование, накопление, распределение и регулирование.

4. Разработать алгоритмы управления работой КСАЭ-ВИЭ, определяющие ее функционирование как единого устройства.

5. Создать средства теоретического и физического моделирования КСАЭ-ВИЭ. Провести комплексные теоретические и практические исследования, их оценку.

6. Провести экономическую оценку использования КСАЭ-ВИЭ.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Разработана методика и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной установки на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии, согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. В их основе лежит генерация почасовых потоков энергии возобновляемых источников, исходя из общедоступных баз данных: справочника климата СССР или данных NASA.

2. Разработаны алгоритмы: «Баланс энергии», отвечающий за поддержание энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ согласно двухуровневому устройству АСУК, «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников», осуществляющие функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от возобновляемых источников.

3. Создана электродинамическая модель КСАЭ-ВИЭ с реализованными алгоритмами управления энергоустановки — базовой основой системы управления.

4. Создана физическая модель с двухуровневой АСУК, имитирующая работу КСАЭ на основе трех ВИЭ.

Практическая ценность.

Результаты разработок и исследований использованы в процессе проведения научно-исследовательской работы по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы" по теме: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования».

В рамках диссертационной работы предложен комплекс мер (подходов) по повышению эффективности комбинированных систем.

Повышение экономической эффективности связано с разработкой методики и программного комплекса по определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. Это позволяет при неизменной стоимости системы получить большее количество выработанной ею электроэнергии или снизить стоимость КСАЭ-ВИЭ при той же выработке электроэнергии. Изначальный состав электроустановок на основе ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) может быть расширен новыми генерирующими модулями ВИЭ (биогазовые, геотермальные установки и т. д.) и накопителями энергии (водородный накопитель и др.).

Условия определения оптимума не всегда постоянны и могут существенно изменяться с течением времени, в частности стоимость оборудования, его тип, нагрузка потребителя и пр. В связи с этим разработанные рекомендации и карты с течением времени теряют свою актуальность, а для другого типа оборудования и/или потребителя результаты оптимизации могут существенно различаться. Разработанный же программный комплекс, учитывая множество факторов и особенностей настоящего, позволяет получить в короткий срок достоверные результаты, актуальные для текущих условий эксплуатации КСАЭ-ВИЭ. Так, исследования использования разного типа аккумуляторных батарей (АБ) показали перспективность нового типа АБ — литий-железо-фосфатных (ЫРеРОд). Их применение вместо традиционных для энергетики свинцово-кислотных АБ позволяет снизить себестоимость электроснабжения потребителя КСАЭ-ВИЭ для рассмотренных пяти географических точек до 20% (в среднем на 17%).

Повышение энергоэффективности достигается применением специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласованием процесса производства и потребления электрической энергии. Результаты теоретического моделирования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек показали, что повышение напряжения непосредственно на выходе генерирующих установок системы до входного инверторного позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании до 16% (в среднем на 13%). Работа на повышенном напряжении позволяет также снизить токовые потери в системе, дополнительно повысив общий КПД. В свою очередь, разделение потребителей на группы позволяет грамотно распределить нагрузку, увеличив объемы «прямого» потребления энергии, что позволяет уменьшить объемы компенсируемой энергии с помощью накопителя, а, следовательно, связанные с этим потери энергии. Более эффективную реализацию этой функции позволяет осуществить прогнозирование выработки энергии от возобновляемых источников (ВИ) благодаря возможности спланировать работу системы на предстоящий период времени.

Выбор первичных источников КСАЭ-ВИЭ был обоснован повышением надежности электроснабжения потребителя, что можно отнести к обобщенным характеристикам эффективности.

Повышение технологической эффективности связано с разработкой логики и алгоритмов специализированной двухуровневой АСУК в рамках централизованного принципа управления с учетом особенностей ВИЭ и заключается в осуществлении более эффективных процессов функционирования системы и расширении ее функциональных возможностей. Это позволяет заложить в систему электроснабжения новые принципы, соответствующие концепции Smart Grids, обеспечив таким КСАЭ-ВИЭ в перспективе роль активных участников распределенной энергетики.

Отметим, что предложенный комплексный подход к повышению эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения с использованием ВИЭ обеспечивает качественно новый уровень таких систем электроснабжения.

Ценными с практической точки зрения являются и сами разработки (средства), предназначенные для оценки принятых мер, направленных на повышение эффективности КСАЭ-ВИЭ, и их реализации. В частности, входящая в состав программного комплекса оптимизации математическая модель может также производить моделирование эксплуатации КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных условий на основе данных мониторинга ресурсов ВИЭ. А решения, использованные при ее создании, в том числе генерации потоков энергии ВИЭ, лежат в основе функции прогнозирования выработки энергии от ВИ, реализуемой на основе прогнозных данных погоды.

Разработанная электродинамическая (математическая) модель КСАЭ-ВИЭ позволила реализовать основу АСУК и исследовать ее функционирование. Однако это только база, позволяющая без привлечения значительных материальных затрат совершенствовать алгоритмы и разрабатывать АСУК для различных конфигураций, свойств и функций КСАЭ-ВИЭ. Кроме того, модель позволяет разрабатывать и готовить отдельные программные части АСУК для использования в микроконтроллерах системы.

В свою очередь, физическая модель КСАЭ-ВИЭ позволяет практически оценить достоверность принятых научно-технических решений.

Разработанные средства подтвердили перспективность создания и эффективность такой энергоустановки. Они позволяют с уверенностью и большим количеством наработок переходить к созданию промышленных образцов КСАЭ-ВИЭ, в которых имеется реальная потребность. Так, анализ регионального размещения потенциальных потребителей автономных источников энергоснабжения мощностью до 10 кВт позволил выделить в качестве потенциальных потребителей КСАЭ-ВИЭ жителей следующих экономических регионов России: Республика Адыгея, Республика Дагестан, Республика Ингушетия, Чеченская Республика, Кабардино-Балкарская Республика, Республика Калмыкия, Карачаево-Черкесская Республика, Республика Северная Осетия-Алания, Краснодарский край, Ставропольский край, Волгоградская область, Ростовская область, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Алтайский край, Камчатская область.

Отдельные составляющие электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ могут использоваться в учебном процессе при подготовке научных кадров в области ВИЭ.

Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, позволяет проводить исследования в натурных и лабораторных условиях. Лабораторно-исследовательский стенд, созданный на ее основе, внедрен в учебный процесс МАМИ, ГНУ ВИЭСХ, МарГУ, а также 10 школ Москвы и 6 школ Рязанской и Калужской областей по контракту №.8/3−177н-07 от 9.06.2007 г. (Государственный заказчик — Департамент науки и промышленной политики г. Москвы).

Методы исследования.

В работе применены методы математического анализа, теории вероятности, теории электрических цепей, численные методы расчёта, а также математического моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методический подход к определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) позволяет повысить достоверность получаемого результата посредством учета большого количества факторов и особенностей, в том числе коротких временных промежутков и поиска оптимума энергоустановок на основе ВИЭ совместно с АБ.

2. Алгоритм «Баланс энергии» позволяет поддерживать равенство энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ, исходя из двухуровневого устройства АСУК, а алгоритмы «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников» позволяют реализовать функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от ВИ.

3. Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы позволяет повысить надежность электроснабжения потребителя, обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ).

4. Результаты практических и теоретических исследований функционирования моделей системы на основе исключительно трех ВИЭ подтверждают обоснованность и перспективность принятых решений (схемного построения КСАЭ-ВИЭ, построения АСУК) и разработок (электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ) для создания эффективных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ.

5. Предложенные подходы по повышению экономической, технологической и энергетической эффективности КСАЭ-ВИЭ обеспечивают как преимущество отдельных показателей, так и уровень совершенства системы.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность оптимизационных расчетов проверена на конкретном примере. Достоверность и обоснованность результатов моделирования подтверждена совпадением теоретически полученных данных с данными испытаний физической модели КСАЭ-ВИЭ, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы.

Материалы диссертации использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058, а также в работе по заказу Департамента науки и промышленной политики г. Москвы, контракт №.8/3−177н-07 от 9.06.2007 г. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010 г.), 24-ой Международной молодежной научно-технической конференции Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ и Ассоциации «Гидропроект» «Инновации в энергетику» (г.Звенигород, 2011 г.), Научно-практической конференции ВИЭСХ (г.Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2011 г.), Ежегодной научно-технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (г. Москва, ФГУП ВЭИ им. В. И. Ленина, 2011 г.), 1-ой научно-образовательной конференции ОЭПЭЭ / IAEE «Экономика энергетики как направление исследований: передовые рубежи и повседневная реальность» (г. Москва, МШЭ МГУ им. М. В. Ломоносова, 2012 г.), Международной научно-практической конференции Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК (г. Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ им. В. П. Горячкина 2012 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 статья в журнале «Энергетик», 1 статья в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 публикации, включенные в систему цитирования библиографической базы Scopus, 1 патент РФ на полезную модель и 1 монография (в соавторстве).

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированных 50 рисунками и 34 таблицами, и снабжена 6 приложениямисписок литературы включает 121 наименование.

Выводы по главе.

1. Рассмотрены перспективные области применения КСАЭ-ВИЭ при автономном и резервном электроснабжении.

2. Создано программное обеспечение, позволяющее быстро рассчитать экономические показатели различного рода КСАЭ-ВИЭ. С его помощью определены экономические показатели 29 вариантов, представленных в разделе 2.3.

3. Электроснабжение потребителя за счет КСАЭ-ВИЭ в ряде случаев оказалось экономически сопоставимо с традиционньм способом реализации автономного электроснабжения, себестоимость энергии при котором составила 6,7 руб./кВт-ч без затрат на доставку топлива, что с учетом экологических факторов определяет преимущество подобного рода систем.

4. Эксплуатация КСАЭ-ВИЭ в труднодоступных горных районах, где себестоимость электрической энергии достигает 30−70 руб./кВт-ч, является выгодным решением, даже когда используются только ФЭУ и ВЭУ без микро ГЭС.

5. Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы, помимо повышения надежности электроснабжения потребителя, позволяет обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, а, следовательно, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ), как в отдельности, так и в комплексе.