CC BY
61
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
https://ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/recent-facts-about-photovoltaics-in-germany.pdf
12. Постановление Правительства Российской Федерации от 24 февраля 2010 г. N 89 г. Москва. http://www.rg.ru/2010/04/27/energorynok-dok.html
13. Kryuchenko Y. V. et al. Evaluation of the annual electric energy output of an a-Si: H solar cellin various regions of the CIS countries //Energy Policy. - 2014. - Т. 68. - С. 116-122.
14. Bobyl A. et al. Engineering and economic features of grid solar energy in Russia //Technical Physics. - 2014. - Т. 59. - №. 4.
УДК 631.152
ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ
В.Н.СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук, А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук, Е.В. ТИМОФЕЕВ, канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
Одной из основных задач электроснабжения предприятий средней и малой мощности является обеспечение эффективности функционирования электрических систем совместно с возобновляемыми источниками энергии. До настоящего времени не разработана единая методика оценки эффективного функционирования электрических систем при рациональной замене традиционных источников энергии возобновляемыми источниками на Северо-Западе России. Системы энергоснабжения с нетрадиционными (возобновляемыми) источниками имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится то, что каждая такая система исключает элементы, связанные с добычей, транспортировкой и переработкой органического топлива, и характеризуется отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Снижается радиус транспортировки энергии, как правило, за счет отсутствия питающих сетей. Недостаток системы заключается в том, что поступление энергии от источников (например, ветра и солнца) носит циклический характер в течение года, сезона, суток. Следовательно, использование этих источников энергии будет накладывать определенные ограничения, связанные с неравномерностью подачи солнечной и ветровой энергий. Идея работы заключается в применении экономико-математические методы для оценки оптимального взаимного замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра, биогаза, путем введения весовых коэффициентов, принимающих во внимание интенсивность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии с учетом метеорологических условий и технико-экономических показателей. Первым этапом реализации предложенной идеи является обоснование критериев эффективности и разработка методики обоснования критерия технико-экономической эффективности совместного применения традиционных и нетрадиционных энергоисточников. При наличии исходных данных методика должна обеспечить расчет оптимального соотношения энергоносителей при максимальном использовании возобновляемых источников энергии.
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2017. Вып. 92._
Ключевые слова: энергоэффективность; критерий; энергоустановка; энергоресурсы; традиционные энергоисточники; энергопотребление; возобновляемые источники энергии.
JUSTIFICATION CRITERION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF JOINT USE OF TRADITIONAL AND RENEWABLE ENERGY SOURCES
V.N. SUDACHENKO, Cand. Sc. (Engineering), A.F. ERK, Cand. Sc. (Engineering), E.V. TIMOFEEV, Cand. Sc. (Engineering)
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg
One of the main tasks of electric power supply of medium and small-scale enterprises is to ensure the functioning efficiency of electrical systems connected with renewable energy sources. To date, there is no unified methodology for assessing the effective functioning of electrical systems with the rational replacement of traditional energy sources with renewable energy sources in the North-West Russia. Energy supply systems with renewable sources have their advantages and disadvantages. An advantage is that such systems do not have the elements associated with the extraction, transportation and processing of fossil fuel; they also do no feature the hazardous atmospheric emissions. The energy transport distance is shorter, usually owing to the absence of supply networks. A disadvantage of such systems is the cyclical character of energy flow from the sources (e.g. wind and sun) throughout the year, season, and day. Therefore, the use of these energy sources imposes certain restrictions related to the uneven supply of solar and wind energy. The idea is to use economic and mathematical methods to assess the optimum substitution of traditional energy resources with solar, wind and biogas energy by introducing the weighting factors, which take into account the intensity of use of renewable energy sources under specific meteorological conditions and technical and economic indicators. The first stage of implementation of the proposed idea is to identify the efficiency criteria and to develop a justification method of the criterion of technical and economic efficiency of joint application of traditional and non-traditional energy sources. Under availability of the initial data, this method will allow to calculate the optimal ratio of energy carriers while maximizing the use of renewable energy sources.
Keywords: energy efficiency; criterion; power plant; energy resources; traditional energy sources; energy consumption; renewable energy sources.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Северо-Западном регионе сложилась определенная система электроснабжения удаленных от крупных промышленных центров сельских территорий, основанная на использовании традиционных источников[1,2].При рассмотрении совместного использования традиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения сельхозпредприятий средней и малой мощности этих территорий следует учитывать сложившиеся структуры, которые часто накладывает ограничения на количество энергии используемых традиционных видов энергоносителей. Часть этих территорий находится в зоне высокой концентрации электрических сетей, вблизи мощных газораспределительных пунктов или узловых железнодорожных станций. Все эти факторы снижают затраты на транспортировку энергоносителя. В этих случаях доля возобновляемых источников энергии в общей системе энергоснабжения может быть незначительна.
Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии может рассматриваться как самостоятельная часть общей системы электроснабжения [3,4].При этом
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
следует учитывать, что солнечная энергия (при существующих условиях и техническом решении) может производить электрическую и тепловую энергию, ветровая энергия -электрическую и механическую (например, водоподъем), энергия биогаза (при существующих технических решениях) может производить электрическую, тепловую и механическую энергию. Системы электро- и энергоснабжения с нетрадиционными возобновляемыми источниками также имеют свои достоинства и недостатки[5,6].
К достоинствам, несомненно, относится то, что каждая из систем с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии исключает элементы, связанные с добычей, транспортировкой и переработкой органического топлива и отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Снижается радиус транспортировки энергии (как правило, за счет отсутствия питающих сетей). К достоинствам, например, биогаза, относятся возобновляемость, наличие местных источников сырья для получения топлива, сокращение зависимости от поставщиков нефти и газа, снижение экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы, что в настоящее время становится особенно актуальным.
Недостаткипоступления энергии от двух рассматриваемых источников (ветра и солнца) носит циклический характер в течение года, сезона, суток. Следовательно, использование этих источников энергии будет накладывать определенные ограничения, связанные с неравномерностью подачи солнечной и ветровой энергий во времени дня, суток, года.
Целью данной работы является обоснованиекритерия оценки экономической эффективности рационального электроснабжения сельхозпредприятий средней и малой мощности.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Использованы методы моделирования и решения оптимизационных задач, системный подход в решении поставленных проблем.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В данной работе использованы следующие экономические показатели:
- Стоимость 1 кВт*ч электроэнергии вырабатываемой энергоустановкой. Данный показатель имеет наиболее существенное значение, так как позволяет оценить конкурентоспособность энергоустановки по сравнению с другими источниками энергии.
- Стоимость за 1кВт установленной мощности. Данный показатель в применении к нетрадиционным энергоисточникам (ветер, солнце) может быть использован только в рекламных целях, так как одна и та же энергоустановка при различных природных условиях может иметь различную мощность.
- Стоимость за 1м2ометаемой поверхности ротора (ВЭУ) или стоимость 1м2 площади солнечного коллектора (ФЭП). Данный показатель может быть использован для сравнения между собой различных нетрадиционных энергоустановок.
- Срок окупаемости энергоустановки. Данный показатель может быть использован, когда решается вопрос о вытеснении какого-либо традиционного энергоисточника нетрадиционным, например, когда ВЭУ позволяет экономить дизельное топливо.
- Стоимость электроэнергии вырабатываемой ВЭУ -C1 можно оценить, как отношения расходов, связанных с сооружением ВЭУ и ее эксплуатацией -CE, к энергии, вырабатываемой энергоустановкой, в течение всего срока службы -E:
С1 = CE/E, (1)
Расходы, связанные с ВЭУ, состоят из следующих статей:
- Стоимость энергоустановки, включая стоимость электрооборудования.
- Стоимость сооружения энергоустановки.
- Амортизация.
- Обслуживание и ремонт.
Стоимость энергоустановки и элементов электрооборудования определяется на основе суммирования стоимости энергоисточников, систем аккумулирования энергии, элементов электрооборудования, элементов тепловых систем. Стоимость элементов определяется на основании статистики и данных из каталогов. Стоимость сооружения энергоустановки может быть определена по затратам времени на сооружение и стоимости строительных материалов.
Амортизация может включать в себя следующие плановые затраты: плановое техобслуживание дизеля, замена дизеля целиком, замена аккумуляторных батарей и т.п.
Затраты на обслуживание можно оценить по времени, которое затрачивается на обслуживание энергоустановки.
При постановке задачи о рациональном соотношении между различными источниками энергии при электроснабжении потребителей предлагается использовать целевую функцию суммарных затрат на передачу энергии всем потребителям и суммарный технологический ущерб, обусловленный уровнем надежности источников:
m n m п
Z=Z Z с«x«+Z Zx ij yy ü ^ min
i=1 j=i 1=1 j=i , (2)
где уц - величина удельного ущерба при энергоснабжении j-гопотребителя от 1-го источника; хц- поток энергии от каждого источника к каждому потребителю; су - издержки на доставку того или иного вида энергии.
Условия полного удовлетворения каждого потребителя энергиями различных видов не всегда можно выполнить, особенно в настоящее время. Это связано, в первую очередь, с различными режимными ограничениями на поставку энергии и газа от централизованных источников, включая отсутствие энергоресурсов. Кроме того, могут возникать ограничения, определяемые, с одной стороны, пропускными способностями систем электроснабжения для традиционных источников энергии, с другой стороны, возможностью выработки энергии в требуемый промежуток времени нетрадиционными возобновляемыми источниками. Перечисленные ограничения, связанные с невозможностью удовлетворения полного спроса, пропускными способностями схем электроснабжения и цикличностью выработки энергии нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ), можно записать в виде:
0 £ ■ = 2, .... п , (3)
где ёу- предельное количество энергии, которое может быть передано за рассматриваемый промежуток времени. В общем случае это может быть месяц, сезон, год.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
Оценка затрат на энергоснабжение сельхозпредприятий средней и малой мощности от энергосистемы могут быть определены методом приближенной оценки по обобщенным математическим моделям, имитирующим характер экономических взаимосвязей, существующих в данной распределительной системе. Используя данный метод можно рассчитать затраты на снабжение сельскохозяйственных потребителей при распределении газа в теплоснабжении от местных котельных [7].
В рамках предлагаемой модели необходимо выполнить оценку технико-экономических показателей электроснабжения районов. Предлагается блок-схема расчета технико-экономических показателей оценки рационального соотношения между традиционными и альтернативными источниками энергии (рис.1), которая позволяет определить целесообразность использования энергии солнца, ветра и биогаза.
Для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую служат солнечные батареи.
Минимальную удельную стоимость 1м2солнечного коллектора (СК) можно определить по формуле:
К _ CtßmW2Лсб10б (4)
КуД _ Ен +
где Псб- кпд солнечной коллектора (СК);
W2 - годовая суммарная (удельная) поступающая солнечная энергия, кВт ч/м2; Ci - стоимость угля, для данного района руб/т,
ßm - удельный расход топлива для станций единой энергосистемы гут /кВт ч.
Для оценки технико-экономической эффективности использования ветроэнергетических установок минимальную удельную стоимость ветроэнергетической установки в зависимости от стоимости энергоносителя в данном районе можно определить из выражения:
CA^IO" (5)
К __^н_
УД Ен
где W2r- выработка электроэнергии ВЭУ за год, кВт*ч,
Рн - номинальная мощность генератора ветроэнергетической установки, кВт.
Целесообразно использование солнечных и биогазовых установок для получения тепловой энергии, а ветровых установок - для электрической и механической.
Для определения рационального соотношения вводятся ограничения, исходя из существующего энергопотребления (б).
Решая задачу рационального соотношения традиционных и альтернативных источников энергии, воспользуемся целевой функцией:
7 vr (б)
Z _ ^ С; • X; ^ min
i_1
где С; - себестоимость электрической энергии от энергосистемы, природного газа, угля, тепловой энергии от солнца, электрической энергии от ВЭУ, биогаза, х; - доли потребления энергии от энергосистемы, природного газа.
Рис. 1. Блок-схема определения рационального соотношения энергии (мощности) между традиционными и альтернативными источниками
ВЫВОДЫ
1. Предложенные показатели и критерий позволяют разработать методику оценки экономической эффективности совместного использования традиционных и альтернативных источников энергии, оптимальное их соотношение.
2. Методика может использоваться при решении задач перспективного планирования замещения традиционных источников энергии возобновляемыми. Средневзвешенная себестоимость энергии может служить одним из основных критериев выбора наиболее рационального варианта совместного использования традиционных и альтернативных источников энергии.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
ЛИТЕРАТУРА
1. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф, Ковалева О.В. Анализ энергоэффективности предприятий молочного направления.//Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2014. - №85. -С.84-89
2. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Бутримова Е.И. Эффективность использования энергоресурсов в сельхозпредприятиях молочного направления//Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 89. - С.12-19.
3. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Теоретический и научно-практический журнал. 2016. №88-С. 53-59.
4. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н. Методы энергосбережения и повышения энергоэффективности сельскохозяйственного производства / А.Ф. Эрк, В.Н.Судаченко // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2015. - № 87. - С.233-239.
5. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н, Тимофеев Е.В., Размук В.А. Выбор типа электроснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием солнечных электростанций // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 89. - С.19- 23.
6. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н, Тимофеев Е.В., Размук В.А. Методы повышения эффективности использования электрической энергии в животноводстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 89. - С.23-32.
7. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Коллектив авторов. — СПб.: Наука, 2002. 314 с.
УДК 631.152
ВЫБОР ВАРИАНТА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СЕЛЬХОЗПРОИЗВОДСТВА ПО ЭКОНОМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
В.Н.СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук, А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук, Е.В. ТИМОФЕЕВ, канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства», Санкт-Петербург, Россия
Система энергоснабжения объектов сельхозпроизводства может состоять из нескольких основных подсистем получения энергии: централизованная энергосистема, местная электростанция, тепловая энергия от местных котельных или от теплоэлектростанции, энергетических установок с использованием энергии солнца и ветра и др. Для сельскохозяйственных потребителей с точки зрения получения конечного продукта безразлично, какая подсистема энергоснабжения при этом
41
