CC BY
16ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НАУЧНОЙ РАБОТЫ
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ
И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Марченко Олег Владимирович, Соломин Сергей Владимирович, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентъева СО РАН, г. Иркутск
E-mail: solomin@isem.irk.ru
Аннотация. Рассмотрена экономическая эффективность автономной системы электроснабжения малой мощности, включающей энергоустановки с • использованием ветровой и солнечной энергии, электрические аккумуляторы и дублирующий дизель-агрегат. Показана эффективность совместного использования ветровой и солнечной энергии.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, математическая модель, мультиагентность.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в предстоящие годы будут играть всё более важную роль в мировой энергетике [1-3]. Применение ВИЭ позволяет экономить органическое топливо, уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду, а в ряде случаев также повысить экономичность энергоснабжения. Эти особенности ВИЭ особенно проявляются в малых автономных системах энергоснабжения, в которых используется дорогое (из-за необходимости его транспортировки и длительного хранения) органическое топливо [4-11].
Эффективность использования возобновляемых источников энергии показана в значительном числе работ [2-14]. Так, например, в [10,12], была рассмотрена экологически чистая система электроснабжения, состоящая из ветроэлектрических установок (ВЭУ), фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), аккумуляторных батарей (АБ) и системы производства, хранения и энергетического использования водорода. Как показали результаты расчётов, такая система экономически эффективна при введении существенной платы за выбросы вредных веществ (например, в природоохранных зонах) и при
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
перспективных показателях водородной системы. При этом рассматривалась экологически чистая система энергоснабжения без энергоисточников на органическом топливе. Однако на практике наибольшее распространение получили системы с ВИЭ и дублированием их мощности дизельной электростанцией (ДЭС) (рис. 1). Такое дублирование позволяет повысить экономичность энергоснабжения.
Расчёты оптимальной структуры приведённой на рис. 1 системы электроснабжения проводились с помощью модели ЯЕМ-2, описанной в [9, 11]. Модель решает задачу математического программирования: поиск минимума целевой функции (суммарных дисконтированных затрат на создание и эксплуатацию системы) при выполнении ряда ограничений, в том числе, на объём отпускаемой потребителям конечной энергии. Она учитывает случайный характер поступления солнечной и ветровой энергии. Для моделирования изменения переменных во времени в каждом сезоне выбраны временные интервалы с шагом в 1 час.
Рассмотрена нагрузка малой мощности (100 кВт) с числом часов её использования 4500 ч/год. Технико-экономические показатели компонентов • системы, принятые в расчётах, приведены в табл. 1. В последние два-три года произошло существенное снижение цен на солнечные панели, и удельные капиталовложения в ФЭП стали меньше аналогичного показателя для ВЭУ Отметим, что удельные капиталовложения зависят от мощности установок. Анализ прайс-листов производителей показывает, что на мировом рынке удельные капиталовложения в диапазоне мощности 1-1000 кВт составляют для ФЭП 1150-1600 Ш$/кВт, ВЭУ - 1600-5600 Ш$/кВт, ДЭС - 350-1600 Ш$/кВт (меньшие значения соответствуют единичной мощности 1 МВт, большие - 1 кВт).
Сезонное изменение нагрузки, скорости ветра и прихода солнечной радиации приведено в табл. 2. Скорость ветра максимальна в полночь зимой и снижается днём, солнечная радиация отсутствует ночью и максимальна в полдень (660 Вт/м в 12 и 13 ч дня летом).
Результаты оптимизации структуры энергосистемы с максимумом нагрузки 100 кВт показывают, что в оптимальное решение одновременно входят все энергоисточники: ВЭУ - 75 кВт, ФЭП - 20 кВт, ДЭС - 80 кВт, инвертор -100 кВт, ёмкость АБ - 240 кВт*ч. Структура затрат для оптимального варианта приведена на рис. 2. Все указанные на рис. 1 компоненты системы дополняют друг друга.
Исключение одного из компонентов (ВЭУ, ФЭП, ДЭС) приводит к удорожанию системы электроснабжения (рис. 3), максимально - в 2,5 раза (варианты 1 и 5).
74
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
ФЭП ВЭУ ДЭС
н
постоянное напряжение переменное напряжение
Рис. 1 Структурная схема системы электроснабжения (ФЭП - фотоэлектрические преобразователи, ВЭУ - ветроэлектрические установки, ДЭС - дизельная электростанция, ИНВ - инвертор, АБ - аккумуляторная батарея)
Таблица 1
Технико-экономические показатели
Устройство Удельные капиталовложения, $/кВт Затраты, % от капиталовложений КПД, % Срок службы, лет
ВЭУ 1800 2 30 25
ФЭП 1200 1 15 25
ДЭС 500 5 32 10
Инвертор 200 2 99 25
АБ 180* 3 95 5
Примечание: * - $/кВт*ч.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Таблица 2
Сезонное изменение нагрузки, скорости ветра и солнечной радиации
Характеристики Зима Весна Лето Осень Год
Максимальная нагрузка, кВт 10 8 7 9 10
Средняя нагрузка, кВт 6 5 4 5 5
Средняя скорость ветра, м/с 7 4 3 6 5
Солнечная радиация, кВт*ч/м2 180 360 480 280 1300
□ДЭС ШВЭУ ШФЭП ШАБ+ИНБ ШДТ
Рис. 2 Структура затрат (ДЭС - дизельная электростанция, ВЭУ - ветроэлектрическая установка, ФЭП - фотоэлектрические преобразователи, АБ - аккумуляторная батарея, ИНВ - инвертор, ДТ - дизельное топливо)
Выводы
1. Исследована экономическая эффективность системы децентрализованного электроснабжения, включающей ВЭУ и ФЭП (ветровые и солнечные установки), АБ (аккумуляторы электроэнергии) и ДЭС (дизель-агрегаты).
2. Показана эффективность совместного использования ветровой и солнечной энергии, аккумулирования энергии и дублирования мощности ВИЭ
76
«
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
энергоустановками на органическом топливе по сравнению с системами с отсутствием одного из указанных компонентов.
1 2 3 4 5
Варианты
Рис. 3 Суммарные дисконтированные затраты (1 - ДЭС, 2 - ДЭС+ФЭП, 3 - ВЭУ+ФЭП, 4 - ДЭС+ВЭУ, 5 - ДЭС+ВЭУ+ФЭП)
Литература:
1. Energy Technology Perspectives. Scenarios & Strategies to 2050. - Paris: IEA, 2010. - 710 p.
2. Беляев Л.С., Марченко О.В., Соломин С.В. Исследование долгосрочных тенденций развития возобновляемых источников энергии // Перспективы энергетики. - 2007. - № 11. - C. 9-18.
3. Марченко О.В., Соломин С.В. Системные исследования эффективности возобновляемых источников энергии // Теплоэнергетика. - 2010. - № 11. - C. 12 -17.
4. Марченко О.В., Соломин С.В. Экономическая эффективность ветроэнергетических установок в системах электро- и теплоснабжения. -Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1996. - 28 с.
5. Елистратов В.В., Аронова Е.С. Моделирование работы и оптимизация параметров систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ // Изв. РАН. Энергетика. - 2011. - № 1. - С. 119-127.
77
«
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
6. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N.I., Styczynski Z.A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energies? // Renewable Energy. -2016. - Vol. 90. - No. 5. - P. 532-541.
7. Марченко О.В., Соломин С.В. Исследование долгосрочных перспектив использования возобновляемых источников энергии для децентрализованного энергоснабжения. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. - 62 с.
8. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ экономической эффективности возобновляемых источников энергии в децентрализованных системах энергоснабжения // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. - № 5. - C. 78 -84.
9. Marchenko O.V. Mathematical modelling and economic efficiency assessment of autonomous energy systems with production and storage of secondary energy carriers // International Journal of Low-Carbon Technology. - 2010. - Vol. 5. - No.4. -P. 250-255.
10. Marchenko O.V., Solomin S.V. Efficiency of small autonomous wind/diesel/ hydrogen systems in Russia // International Journal of Renewable Energy Research. -2013. - Vol. 3. - No. 2. - P. 241-245.
11. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ совместного использования энергии солнца и ветра в системах автономного электроснабжения // Промышленная энергетика. - 2016. - № 9. - C. 39-43.
12. Марченко О.В., Соломин С.В. Оценка эффективности аккумулирования в системах электроснабжения с использованием ветровой и солнечной энергии. -В сб.: Энергетика: Эффективность, надёжность, безопасность: материалы трудов XXI Всероссийской научно-техн. конф. / Томский политехнический университет, 2-4 декабря 2015 г. - Томск: изд-во «Скан», 2015. - Том I. - С. 91-94.
13. Марченко О.В., Соломин С.В. Оптимизация автономных ветродизельных систем энергоснабжения // Электрические станции. - 1996. - № 10. - C. 41-45.
14. Ngan M.S., Tan S.W. Assessment of economic viability for PV/wind/diesel hybrid energy system in southern Peninsular Malaysia // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2012. - Vol. 16. - No. 1. - P. 634-647.
78
