CC BY
22
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
Авдеев Б. А. Avdeev В. А.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства, ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», г. Керчь, Российская Федерация
УДК 621.311
Вынгра А. В. \yngra А. V.
ассистент кафедры электрооборудования
судов и автоматизации производства, ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», г. Керчь, Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2021-17-1-5-12
АНАЛИЗ ВАЛОВОГО ПОТЕНЦИАЛА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ КЕРЧЕНСКОГО ПОЛУОСТРОВА ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Актуальность
Собственное обеспечение электроэнергией Республикой Крым в 2020 году составило около 20 % от общего энергопотребления полуострова. Такое низкое производство электроэнергии остро показывает проблему энергонезависимости полуострова. К тому же, собственное производство электроэнергии Крыма преимущественно состоит из невозобновля-емых источников, что неблагоприятно влияет на экологическое состояние полуострова. Исследование целесообразности внедрения возобновляемых источников электроэнергии позволит определить возможные пути решения обозначенных проблем.
Цели исследования
Исследовать возможность внедрения солнечных электростанций на территории Керченского полуострова. Провести обзор существующих методик решения проблемы качественного и надежного энергоснабжения полуострова, найти и описать основные проблемы внедрения систем возобновляемых источников энергии. На основании ориентировочной продолжительности солнечного сияния Керченского полуострова определить и обработать данные о среднегодовой солнечной активности и инсоляции на исследуемой территории. Рассчитать количественные показатели эффективности применения предложенного способа генерации электроэнергии. Обосновать необходимость и целесообразность применения интеллектуальных сетей энергоснабжения для упрощения внедрения альтернативных источников в общую сеть электроснабжения полуострова.
Методы исследования
Анализ солнечной активности Керченского полуострова на основе данных национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомства NASA. Синтез данных в виде технического расчета валового потенциала и расчета валовой энергоэффективности для определения рентабельности внедрения возобновляемых систем генерации электричества. Сравнение эффективности различных типов интеллектуальных сетей для определения возможностей внедрения невозобновляемых источников электроэнергии в общую сеть электроснабжения полуострова.
Результаты
Приведены таблицы и построены графики значений солнечной инсоляции на горизонтальной поверхности Керченского полуострова. Проведён расчёт валового потенциала
солнечной энергии региона. Проведен расчет валовой энергоэффективности региона, построен график зависимости среднесуточного значения солнечной инсоляции от времени года, падающей на горизонтальную поверхность площадью 1 м2. Были проведены расчеты, которые показали, что годовая инсоляция составит 1303,26 кВт-ч/м2. Результаты инсоляции по месяцам представлены в табличном виде. Показана целесообразность внедрения солнечных электростанций для обеспечения бесперебойного энергоснабжения Керченского полуострова. Показано, какие существуют интеллектуальные сети электроснабжения, применимые для интеграции солнечных электростанций на Керченском полуострове. Показаны преимущества и недостатки интеллектуальных сетей электроснабжения постоянного и переменного тока. Показано, что лучшими характеристиками обладают интеллектуальные сети электроснабжения на основе технологии твердотельных трансформаторов.
Ключевые слова: альтернативная энергетика, электроснабжение, интеллектуальные сети электроснабжения, Керченский полуостров, твердотельный трансформатор, интеграция, солнечная электростанция, солнечная инсоляция.
ANALYSIS OF THE GROSS POTENTIAL OF SOLAR POWER OF THE KERCH PENINSULA FOR INTEGRATION IN THE SMART GRIDS
Relevance
The Republic of Crimea's own electricity supply in 2020 amounted to about 20 % of the total energy consumption of the peninsula. This low electricity production is an acute indication of the peninsula's energy independence problem. In addition, Crimea's own electricity production mainly consists of non-renewable sources, which adversely affects the ecological state of the peninsula. The study of the feasibility of the introduction of renewable energy sources will identify possible solutions to the identified problems.
Aims of research
Explore the possibility of introducing solar power plants on the territory of the Kerch Peninsula. Review the existing methods for solving the problem of high-quality and reliable power supply of the peninsula, find and describe the main problems of introducing renewable energy systems. Based on the estimated duration of sunshine on the Kerch Peninsula, determine and process data on the average annual solar activity and insolation in the study area. Calculate quantitative indicators of the effectiveness of the proposed method of generating electricity. Justify the need and feasibility of using smart power supply networks to simplify the introduction of alternative sources into the general power supply network of the peninsula.
Research methods
Analysis of solar activity on the Kerch Peninsula based on data from the National Aeronautics and Space Administration — NASA. Synthesis of data in the form of technical calculation of gross potential and calculation of gross energy efficiency to determine the profitability of the introduction of renewable electricity generation systems. Comparison of the efficiency of various types of smart grids to determine the possibilities of introducing non-renewable sources of electricity into the general power supply network of the peninsula.
Results
Tables and graphs of solar insolation values on the horizontal surface of the Kerch Peninsula are presented. The calculation of the gross solar energy potential of the region has been made. The calculation of the gross energy efficiency of the region was made, a graph of the dependence of the average daily value of solar insolation on the season, falling on a horizontal surface with an area of 1 m2, was built. Calculations were made, which showed that the annual insolation will be 1303.26 kWh/m2. Insolation results by months are presented in a tabular form. The expediency of the introduction of solar power plants to ensure uninterrupted power supply to the Kerch Peninsula is shown. It is shown what smart grids exist that are applicable for the integration of solar power plants on the Kerch Peninsula. The advantages and disadvantages of smart AC and DC grids are shown. It is shown that the best characteristics are possessed by smart grids based on solid-state transformer technology.
Keywords: alternative energy, power supply, smart grids, Kerch Peninsula, solid-state transformer, integration, solar power plant, solar insolation.
Введение
Собственное производство электроэнергии в 2020 году на территории Республики Крым составило всего 21 % от общего потребления. Остальные 79 % поставляются по энергомосту из Ростовской АЭС. Также собственное производство электроэнергии на более чем 80 % состоит из невозобновля-емых источников (тепловые электростанции, газотурбинные электростанции, дизель-генераторные установки), что негативно влияет на экологическое состояние полуострова.
Керченский полуостров расположен в восточной части Крыма протяженностью с запада на восток около 90 км, с севера на юг от 17 до 50 км. Площадь территории составляет около 3000 км2 [1].
В настоящее время на территории Крыма функционируют несколько солнечных электростанций (СЭС) (СЭС Перово, СЭС Николаевка, СЭС Охотниково), обеспечивающие всего 4-6 % потребляемой электроэнергии полуострова. Владиславовская СЭС является самой большой на территории Крыма и находится в непосредственной близости от Керченского полуострова, однако в эксплуатацию не введена из-за необходимости строительства подстанции 220 кВ и выдачи новых технических условий с учетом энергомоста для интеграции в энергосистему Крыма [2].
Таким образом существует проблема интеграции возобновляемых источников энергии в общую энергосистему для функционирования умных сетей, а также улучшения
экологического состояния полуострова за счет применения СЭС.
На Керченском полуострове применение солнечной энергии в целях энерго- и тепло-обеспечения является целесообразным в связи с его географическим положением. Благодаря мощным антициклонам во время зимнего периода на территории Керченского полуострова зачастую преобладает малооблачная и солнечная погода [3]
Ориентировочная продолжительность солнечного сияния составляет 2350 ч/год (на рисунке 1 показана продолжительность солнечной активности Республики Крым). Число солнечных часов при открытом горизонте в июне составляет 12-13 ч, в декабре — 7-8 ч. Так как суточная продолжительность солнечной активности в основном зависит от облачности, действительная продолжительность солнечной активности в летний период составляет 40-70 %, а в зимний период — 60-80 % от возможной величины.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что фактическая продолжительность суточного солнечного сияния зимой примерно равна 5 ч, а летом — 8,5 ч.
Облучение прямым солнечным светом поверхности земли называется инсоляцией. Показатели инсоляции зависят от географической широты, которая делится на 3 зоны [4]:
— северная (севернее 58° с.ш.);
— центральная (58° с.ш. — 48° с.ш.);
—южная (южнее 48° с.ш.).
Продолжительность солнечного сияния, ч/год
I [ < 22» 2ЭЯ-ММ
I' | 2250-2300 ЦЦ > 14« 5500-535(1
Рисунок 1. Продолжительность солнечной активности Республики Крым Figure 1. Duration of solar activity in the Republic of Crimea
Feodosiya
Kerch
Wm
Sevastopol
Длительная средняя дневная/годовая сумма в период 1994-201S
Дневная сумма: < 2,4 2.8 3.2 3.6 4.0 >
кВт^ч/м2
Рисунок 2. Средние значения прямой инсоляции Крымского полуострова Figure 2. Average values of direct insolation of the Crimean peninsula
Средняя дневная/годовая сумма солнечной инсоляции Республики Крым приведена на рисунке 2.
Керченский полуостров относится к южной инсоляционной зоне и расположен на широте 45°. В таблице 1 приведены среднесуточные значения солнечной инсоляции Керченского полуострова.
Значения солнечной инсоляции имеют значительные различия в разное время года. Как видно из таблицы 1, уровень солнечной радиации на горизонтальных площадках Керченского полуострова в разные периоды отличается примерно в пять раз [5].
На уменьшение уровня солнечной инсоляции в зимний период влияют следующие факторы:
— большая облачность в сравнении с летним периодом;
— низкий угол подъема солнца над горизонтом.
Однако при использовании трекерной (следящей) системы последним фактором можно пренебречь (рисунок 3). Данная система позволяет увеличить производительность СЭС на 25 % (при использовании одноосной коррекции ориентации) и на 45 % (при двухосной) [6].
Таблица 1. Значения солнечной инсоляции на горизонтальной поверхности Керченского полуострова Table 1. Values of solar insolation on the horizontal surface of the Kerch Peninsula
Месяц Солнечная инсоляция, кВтч/м2/сут
Январь 1,27
Февраль 2,06
Март 3,05
Апрель 4,30
Май 5,44
Июнь 5,84
Июль 6,20
Август 5,34
Сентябрь 4,07
Октябрь 2,67
Ноябрь 1,55
Декабрь 1,07
Среднее значение за год 3,58
и я
и <
к /
я н
£ «
5" и
ч
с
и
6:00
9:00
12:00 15:00 Время суток
18:00
21:00
Рисунок 3. Рост мощности СЭС при использовании трекерной системы Figure 3. Growth of SPP power when using a tracker system
Валовый (теоретический) потенциал солнечной энергии региона — сумма энергии солнечного излучения, попадающего на площади региона, взятая за один год (кВтч/м2). Значение валового потенциала определяется из таблицы солнечной инсоляции региона [7].
Использую базу данных Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомства NASA — был проведен анализ солнечной активности Керченского полуострова [8-10].
На основании полученных данных, приведенных в таблице 1 и на рисунке 4, был построен график зависимости среднесуточ-
ного значения солнечной инсоляции от времени года, падающей на горизонтальную поверхность площадью 1 м2 (рисунок 4).
Используя вышеприведенные данные, проведем расчет значения годовой инсоляции:
E = ^ErPi
1=1
где Ег — среднее значение инсоляции /-го месяца, кВтч/м2; п — количество месяцев; р. — количество дней /-го месяца.
Были проведены расчеты, которые показали, что годовая инсоляция составит 1303,26 кВт-ч/м2. Результаты инсоляции по месяцам представлены в таблице 2.
Рисунок 4. График зависимости среднесуточных значений солнечной инсоляции от времени года Figure 4. Graph of the dependence of the average daily values of solar insolation from the season
Таблица 2. Результаты расчетов среднемесячных значений инсоляции
Table 2. Calculation results of monthly average values of insolationa
Годовой валовый потенциал солнечной энергии Керченского полуострова можно вычислить по следующей формуле:
где — площадь Керченского полуострова, м2,
£,=3000-103 м2, Жвц =1303,26-3000 103 =3,91 ГВтч.
Для внедрения солнечных электростанций в общую энергосистему полуострова целесообразно применять интеллектуальные сети с применением твердотельных трансформато-
ров (ТТТ). Такие системы позволят эффективно, бесперебойно и качественно потреблять произведённую возобновляемыми источниками электроэнергию.
Интеллектуальную сеть можно разделить на два вида: сеть постоянного тока и сеть переменного тока [11]. В сети переменного тока нагрузка переменного тока напрямую подключена к энергосистеме, а нагрузка постоянного тока подключена через выпрямитель и преобразователь постоянной мощности, как показано на рисунке 5, а. В сети постоянного тока, показанной на рисунке 5, Ь, питание от аккумуляторной батареи и от солнечных панелей производится через преобразователь постоянного напряжения, минуя инвертор, тем самым упрощается процесс согласованной работы устройств с разными уровнями напряжения. Таким образом, сеть постоянного тока является более выгодной по сравнению с сетью переменного тока, поскольку она требует меньше ступеней преобразования и дает высокую эффективность. Несмотря на это, в большинстве случаев делается выбор в пользу сети переменного тока, т.к. нагрузка заточена под работу на переменном токе, а большая часть поступающей в сеть электроэнергии приходит через высоковольтные линии электропередачи переменного тока. Большое количество
Месяц Солнечная инсоляция, кВтч/м2
Январь 39,37
Февраль 57,68
Март 94,55
Апрель 129,00
Май 168,64
Июнь 175,20
Июль 192,2
Август 160,20
Сентябрь 126,17
Октябрь 80,10
Ноябрь 48,05
Декабрь 32,10
Внешняя есть
Внешняя сеть
Сеть переменного тока
Нагрузка переменного тока
а)
АБ СЭС
L
-CZb
Сеть постоянного тока
4ZZb
Нагрузка постоянного тока
Ь)
а +
\ Tfwa
HZZb
ЛБ СЭС
АБ — аккумуляторные батареи; СЭС — солнечная электростанция Рисунок 5. Интеллектуальные сети переменного (а) и постоянного (b) тока
RB — rechargeable batteries; SPP — solar power plant Figure 5. Smart grid of alternating (a) and direct (b)current
ступеней преобразования усложняет работу системы и приводит к проблеме плохого качества электроэнергии [12].
Интеллектуальные сети на основе ТТТ показаны на рисунке 6. ТТТ может работать согласованно с сетями как переменного, так и постоянного тока. Обменен мощности
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
может быть легко осуществлен между различными источниками электроэнергии. Такие сети имеют более компактные размеры, чем сети переменного тока, имеют меньше ступеней преобразования и при этом могут питать мощные потребители переменного тока.
Внешняя сеть
I Гагрузка переменного тока
Нагрузка постоянного тока
АН
СЭС
Сеть переменного ¡ ока
Сеть постоянного тока
Рисунок 6. Интеллектуальные сети на основе ТТТ Figure 6. Smart grids based on SST
Современные технологии на базе полупроводниковых силовых устройств позволяют скоординированно управлять несколькими энергетическими сетями (электрическими, холодными, тепловыми и газовыми), что позволяет разработать оптимизированную общую стратегию работы всей системы в целом и достичь повышения энергоэффективности и пиковой нагрузки за счет поддержки многоэнергетической сети. Так как сети электроснабжения должны иметь независимую энергетическую систему, способную в экстремальных условиях продолжать работу, то обеспечение работоспособности и надежности работы многоэнергетической сети является важным аспектом в обеспечении безопасности страны. Поэтому технология, позволяющая повысить надёжность снабжения и распределения электроэнергии
Список литературы
1. Сведения о наличии и распределении земель в Российской Федерации на 01.01.2019 (в разрезе субъектов Российской Федерации) // Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии [Электронный ресурс]. https://rosreestr.gov.ru. (дата обращения 09.04.2021).
разным потребителям (по роду тока, величине напряжения или мощности), является важной в освоении на промышленном уровне.
Вывод
Керченский полуостров — большой потенциал для использования солнечной энергетики. По результатам расчетов валовый потенциал составляет 3,91 ГВт-ч. Использование солнечной энергетики позволит значительно снизить количество используемого топлива, тем самым улучшив экологическое состояние полуострова, а также снизить затраты на покупку электроэнергии энергоснабжающей организации.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-5450.2021.4.
2. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: КноРус, 2012. 240 с.
3. Мазинов А.С., Бекиров Э.А. Фотоэлектрические преобразователи и системы // Солнечная энергетика для устойчивого развития Крыма. Симферополь: ДОЛЯ, 2009. С. 120-137.
4. Удалов С.Н. Возобновляемые источники энергии. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. 459 с.
5. Shah D., Crow M.L. Online Volt-Var Control for Distribution Systems with SolidState Transformers // IEEE Transactions on Power Delivery. 2016. No. 31(1). P. 342-350.
6. Zhu Q., Wang L., Huang A.Q., Booth K., Zhang L. 7.2 kV Single Stage Solid State Transformer Based on Current Fed Series Resonant Converter and 15 kV SiC MOSFETs // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. No. 34(2). P. 1099-1112.
7. Miller D. Selling Solar. The Diffusion of Renewable Energy in Emerging Markets. London: Sterling, VA, 2009. 306 p.
8. NASA Prediction of Worldwide Energy Resource [Электронный ресурс] // NASA — POWER. Режим доступа: https://power.larc. nasa.gov (дата обращения 09.04.2021).
9. Авдеев Б.А. Перспективы использования твердотельных трансформаторов для интеллектуальных сетей электроснабжения двойного назначения // Технологии энергообеспечения. Аппараты и машины жизнеобеспечения: об. ст. II Всеросс. науч.-техн. конф., 17 сентября 2020, Анапа. 2020. С. 340-348.
10. Авдеев Б.А. Расчет потерь двунаправленного преобразователя постоянного напряжения судовой электростанции постоянного тока // Энергобезопасность и энергосбережение. 2018. № 6. С. 24-26. DOI 10.18635/20712219-2018-6-24-26.
References
1. Svedeniya o nalichii i raspredelenii zemel' v Rossiiskoi Federatsii na 01.01.2019 (v razreze sub "ektov Rossiiskoi Federatsii) [Information on the Availability and Distribution of Land in the Russian Federation as of 01.01.2019 (in the Context of the Constituent Entities of the Russian Federation]. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoi registratsii, kadastra i kartografii [Electronic Resource]. https://rosre-estr.gov.ru. (accessed 09.04.2021). [in Russian].
2. Sibikin Yu.D., Sibikin M.Yu. Netradi-tsionnye i vozobnovlyaemye istochniki energii [Non-Traditional and Renewable Energy Sources]. Moscow, KnoRus Publ., 2012. 240 p. [in Russian].
3. Mazinov A.S., Bekirov E.A. Foto-elektricheskie preobrazovateli i sistemy [Photovoltaic Converters and Systems]. Solnechnaya energetika dlya ustoichivogo razvitiya Kryma [Solar Energy for Sustainable Development of Crimea]. Simferopol, DOLYa Publ., 2009, pp. 120-137. [in Russian].
4. Udalov S.N. Vozobnovlyaemye istochniki energii [Renewable Energy Sources]. Novosibirsk, Izd-vo NGTU, 2013. 459 p. [in Russian].
5. Shah D., Crow M.L. Online Volt-Var Control for Distribution Systems with SolidState Transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, No. 31(1), pp. 342-350.
6. Zhu Q., Wang L., Huang A.Q., Booth K., Zhang L. 7.2 kV Single Stage Solid State Transformer Based on Current Fed Series Resonant Converter and 15 kV SiC MOSFETs. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, No. 34(2), pp. 1099-1112.
7. Miller D. Selling Solar. The Diffusion of Renewable Energy in Emerging Markets. London, Sterling Publ., VA, 2009. 306 p.
8. NASA Prediction of Worldwide Energy Resource [Electronic Resource]. NASA -POWER. URL: https://power.larc.nasa.gov (accessed 09.04.2021).
9. Avdeev B.A. Perspektivy ispol'zovaniya tverdotel'nykh transformatorov dlya intel-lektual'nykh setei elektrosnabzheniya dvoinogo naznacheniya naznacheniya [Prospects for the Use of Solid-State Transformers for Dual-Use Intelligent Power Supply Networks]. Sbornik statei II Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Tekhnologii energoobespecheniya. Apparaty i mashiny zhizneobespecheniya», 17 sentyabrya 2020 [Collection of Articles of the II All-Russian Scientific and Technical Conference « Technologies of Energy Supply. Life Support Devices and Machines», September 17, 2020]. Anapa, 2020, pp. 340-348. [in Russian].
10. Avdeev B.A. Raschet poter' dvuna-pravlennogo preobrazovatelya postoyannogo napryazheniya sudovoi elektrostantsii posto-yannogo toka [Calculation of Losses of a Bidirectional DC Converter of a Ship's DC Power Plant]. Energobezopasnost' i energo-sberezhenie — Energy Security and Energy Saving, 2018, No. 6, pp. 24-26. DOI 10.18635/ 2071-2219-2018-6-24-26. [in Russian].
