CC BY
0DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-372-376
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕВЕРНЫХ И АРКТИЧЕСКИХ ТЕРРИТОРИЙ
РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
Хоютанов А.М.1, Давыдов Г.И.1, Васильев П.Ф.1, Местников Н.П.1, 2, Реев В.Г.1, 2,
Ачикасов Р.Р.1
1 ФИЦ ЯНЦ СО РАН ИФПТС СО РАН, Якутск 2 СВФУ им. М.К. Аммосова, Якутск [email protected]
Одной из стратегических задач Российской Федерации в сфере энергетики является развитие распределённой генерации в удаленных и изолированных районах. Соответствующее направление отмечено во всех отраслевых и макрорегиональных документах стратегического планирования, включая Доктрину энергетической безопасности Российской Федерации, Энергетическую стратегию России на период до 2035 года, стратегии социально-экономического развития Дальневосточного федерального округа и Арктической зоны Российской Федерации. Реализация указанного направления предполагает замещение действующей неэффективной дизельной (мазутной, угольной) генерации на основе внедрения современных энергетических технологий, включая ВИЭ, а также обеспечение локального энергоснабжения новых инвестиционных проектов вдали от централизованной энергетической инфраструктуры. В данной работе рассмотрены пути повышения эффективности функционирования энергетических систем северных и арктических территорий Республики Саха (Якутия).
Разработка и исследование способов повышения энергоэффективности солнечных электростанций в условиях Севера. В автономных энергосистемах Северо-Востока России совершенствуется применение солнечных электростанций [1]. Бесперебойное функционирование и стабильность режимов работы солнечных электростанций зависят от характера влияния внешних факторов, таких как: солнечная инсоляция; облачность; задымление окружающей среды, вызванное лесными пожарами; температура окружающей среды; поверхностное загрязнение фотоэлектрических панелей (пыль, снег). Влияние данных факторов имеет сезонный характер. Отсутствие учета внешних факторов приводит к отклонениям расчетных и фактических показателей функционирования солнечной электростанции на 10.. .22%.
Проведенные натурные исследования по идентификации характера и показателей влияния внешних факторов Севера на режим работы солнечных электростанций, функционирующих в составе автономных энергосистем, которые установили следующее [1]: поверхностное загрязнение фотоэлектрических панелей, вызванное мелкодисперсными фракциями пыли, уменьшает выработку электроэнергии на 44.46%; поверхностное загрязнение фотоэлектрических панелей, вызванное снеговым покровом, уменьшает выработку электроэнергии на 12,4.79%; задымление окружающей среды, вызванное сезонными лесными пожарами, уменьшает выработку электроэнергии на 33,88.74,42%; наличие облачности уменьшает выработку электроэнергии на 8,03.95,18%; при температуре окружающей среды в диапазоне -60.. .+20 0С показатели выработки электроэнергии (-3,28.-0,16%); температура окружающей среды в диапазоне +30.+40 0С уменьшает выработку электроэнергии на 16,81%.
Методика расчета рабочих параметров солнечных электростанций, разработанная на основе совокупности методик расчета выработки электроэнергии, и технико-экономических показателей, позволяет повысить достоверность результатов расчета параметров функционирования электростанций к фактическим значениям за счет дополнительного учета внешних факторов.
Разработанная в [1] математическая модель функционирования солнечных электростанций на базе предложенной методики, учитывает внешние факторы, и позволяет выполнить оценку ее энергопотенциала. При этом доказано, что данная модель увеличивает достоверность результатов расчета в среднем на 4,69% путем сопоставления расчетных и фактических данных функционирования 10 действующих солнечных электростанций на территории Северо-Востока России.
Разработанный в [1] способ дугообразного размещения фотоэлектрических панелей электростанций, учитывает траекторию движения Солнца, и позволяет увеличить выработку электроэнергии на 33,25%. Сущность данного способа заключается в размещении двухсторонних фотоэлектрических панелей по дугообразной форме на специальном светоотражающем покрытии. Данный способ позволяет увеличить объем экономии топлива на 34%, уменьшить объемы выбросов СО2 на 33,8% в течение летнего периода. При этом размер площади размещения панелей увеличивается в сравнении с линейным способом размещения.
Разработанный в [1] способ защиты фотоэлектрических панелей электростанций от негативного влияния поверхностного загрязнения, вызванного мелкодисперсными фракциями пыли в летне-осенний и снеговым покровом в зимне-весенний периоды, предохраняет от образования загрязнения на поверхности панелей в течение 14 суток вследствие чего уменьшается периодичность их очистки. Сущность данного способа заключается в нанесении жидкого воскового покрытия на поверхность панели. Исследования показали, что применение разработанного способа снижает интенсивность загрязнения панелей. При отсутствии применения данного способа защиты, выработка электрической энергии снижается на 46%, а при применении - на 9,90%. То есть эффект от применения данного способа уменьшает уровень снижения выработки электроэнергии по причине негативного влияния поверхностного загрязнения - в среднем на 37%.
Проведенный анализ показателей надежности автономной энергосистемы с солнечной электростанцией и системой накопления энергии на примере с. Мачах (северная Якутия) показал, что при комплексном применении (внедрении) разработанных и предложенных в работе способов, следующее: уменьшения недоотпуска электроэнергии на 2,88%; увеличения коэффициента готовности объекта на 0,013 о.е.; увеличения вероятности безотказной работы на 0,14 о.е. Технико-экономическая и экологическая оценки функционирования автономной энергосистемы с солнечной электростанцией на примере с. Мачах (северная Якутия) показали, что при комплексом применении (внедрении) разработанных и предложенных в работе способов, следующее: достижение годовой экономии моторного масла - 0,23 т; годовая экономия дизельного топлива - до 17,55 т; уменьшение годовых выбросов СО2 на 55,29 т.; период автономной работы солнечной электростанции без выработки дизельной электростанции - до 1 мес./год; дисконтированный срок окупаемости применения способов в оцениваемый объект - 11 лет. Анализ среднесуточных графиков выработки электроэнергии от автономных энергосистем с солнечными электростанциями, при комплексном применении представленных способов, показал, что в летний период - продолжительность автономного питания от солнечной электростанции составила 14...24 часов в сутки. При этом коэффициент использования установленной мощности солнечной электростанции увеличивается на 7,5.9,5% [1].
Исследование возможного применения тепловых насосов в изолированных энергосистемах. В настоящее время использование тепловых насосов (ТНУ) является одним из эффективных методов энергосбережения. Широкое применение ТНУ получили в таких странах как Швеция, Норвегия, Финляндия и т. д. В России ввиду дешевизны природного топлива большого распространение не получили. Однако в арктических территориях с изолированными системами энергоснабжения цена традиционного топлива может возрастать до 2,5 раз из-за расходов на транспортировку. В связи с чем является актуальным внедрение новых методов энергосбережения [2].
На рис. 1 представлена схема ТНУ [2]. Первым элементом является испаритель. В нем происходит подвод низко потенциального тепла хладагенту. Хладагент, имеющий низкую температуру кипения, начинает фазовый переход из жидкого в газообразное состояние. Далее газообразный хладагент подводится к компрессору (2), где происходит процесс сжатия, сопровождающийся повышением температуры до 100 0С. В конденсаторе (3) горячий хладагент
отдает тепло теплоносителю, при этом происходит фазовый переход в жидкое состояние. Дроссельная шайба (4) предназначена для снижения давления и температуры хладагента до первоначального значения. Горячий теплоноситель после конденсатора накапливается в баке аккумуляторе (5) для сглаживания расхода теплоносителя.
Рис. 1. Схема ТНУ: 1 - испаритель; 2 - компрессор; 3 - конденсатор; 4 - дроссельная шайба; 5 - бак аккумулятор
Предлагается внедрение ТНУ к эксплуатируемым дизельным электростанциям (ДЭС) с утилизацией тепла выхлопных газов [3]. В качестве источника низкопотенциального тепла в зимнее время возможно использование непромерзающих водоемом (реки, озера), находящихся в непосредственной близости к населенным пунктам, также возможно использование низкопотенциального тепла земли, (температура кипения фреона -26 С) либо воздуха при условии, что температура воздуха должна быть выше температуры кипения фреона. Тепловую энергию, выработанную в ТНУ, предлагается пускать на нагрев обратной и подпиточной воды. Путем внедрения ТНУ происходит дозагрузка ДГУ до расчетных оптимальных значений (рис. 2), что ведет к снижению удельного расхода дизельного топлива, подключению дополнительного источника тепла и в перспективе к увеличению отопительного запаса для подключения новых потребителей. Интеграция ТНУ в ДЭС осуществляется с применением системы автоматического управления (САУ) для синхронизации и оптимизации расходов сетевой, подпиточной воды и горячего теплоносителя ТНУ.
эл/энергия на нужды ТНУ
Рис. 2. Схема ДЭС с ТНУ
В работе [3] проведен первичный оценочный технико-экономический расчет для ДЭС с утилизацией тепла для п. Эльдикан. Электрическая мощность станции равна 14,9 МВт при выработке тепла 1 Гкал/час. При внедрении теплового насоса с коэффициентом трансформации равным 2,5 ед. тепловой производительностью 58 кВт в количестве 5 шт. повышается теп-лопроизводительность ДЭС на 25%. Проведенная первичная оценка возможного применения теплового насоса с интеграцией в работу ДЭС показал свою состоятельность. В последующих этапах настоящего проекта необходимо проведение детализированного поэлементного изучения, разработки структурной схемы, разработки наиболее эффективного способа внедрения ТНУ в работу ДЭС, разработки методики расчета режимных параметров и оценки эксплуатационной надежности.
Опытно-полевые испытания бесплотинного гидроагрегата. Бесплотинный гидроагрегат представляет собой гидротурбину со встроенным гидронасосом, который приводится в действие свободным течением потока реки. При этом заявленная для работы скорость потока реки определена в пределах 1 м/с и выше. Принцип действия сводится к тому, что встроенный гидронасос нагнетает воду в трубопровод под давлением, откуда далее подается на раструб
струи. Предполагается применение системы управления струей, контролирующую подачу воды на активную гидротурбину Пелтона или гидротрансформатор с электрогенератором [4-5].
Русловой гидроагрегат устанавливается в свободный водный поток, при этом он преобразовывает поток реки в механическое вращение вертикально расположенного вала и приводит в движение гидронасос, который нагнетает воду в трубопровод, создавая избыточное давление в нем. Вода, протекая по трубам, подается на орошение, в гидроаккумулирующий бассейн или используется по другому назначению.
Важнейшим элементом руслового гидроагрегата (рис. 3), является рабочая лопасть. Благодаря Г-образной раме рабочая лопасть имеет две плоскости активного преобразования потока.
Рис. 3. Русловой гидроагрегат
Рабочая лопасть, состоящая из подвижной пластины закрепленная посредством свободной оси к Г-образной раме, воспринимает давление потока реки и прижимает подвижную пластину к упору. В процессе вращения вертикально расположенного вала и рабочей лопасти, подвижная пластина под действием того же давления потока реки проворачивается на свободной оси и достигает упора. Тем самым устанавливается вторая плоскость, на которую воздействует течение реки. При дальнейшем вращении вертикально расположенного вала и рабочей лопасти, подвижная пластина занимает положение флюгера, тем самым снижая сопротивление. В результате таких естественных действий подвижной пластины, возникает разница давлений на рабочих лопастях, а вместе с тем создает момент силы, передаваемый на вал. Вертикально расположенный вал, передает момент силы и направление вращения на элемент конструкции, исполняющей кинематику коленчатого вала, далее коленчатый вал приводит в действие исполнительный механизм.
К преимуществам конструкции гидроагрегата необходимо отнести:
• снижение показателей негативного воздействия на экологию используемой реки, миграцию рыбы, изменение русла и дна;
• бесперебойность подачи воды по расчетным показателям, по заданным параметрам давления и объема;
• возможность работы под толстым слоем льда и на большой глубине, что довольно часто требуется обеспечить на реках Сибири и Крайнего Севера, что позволит осуществлять бесперебойную подачу электрической энергии к удаленным от централизованного электроснабжения малым населенным пунктам (рис. 4).
I I I I Ы-4
Надводное исполнение Подводное исполнение
Рис. 4. Возможные варианты исполнения
Кроме энергетических целей гидроагрегат возможно применять для транспортировки воды, в т. ч.: по напорному водоводу; мелиорация; гидроаккумулирование; очищение воды (обратный осмос).
Натурные испытания проводились на створе реки Лена у берега в районе города Якутск. Для натурных испытаний гидроагрегат был выполнен из профильных труб различного сечения. В качестве активной рабочей лопасти применен прямоугольный щит из древесного материала. Для удержания гидроагрегата в плавучем состоянии применялся - понтон. Для поддержания гидроагрегата в рабочем положении применена рама, в которую установлен гидроагрегат. В неподвижном состоянии гидроагрегат удерживает якорное устройство. Гидроагрегат имеет вертикально расположенный вал с механизмом изменения положения лопастей. В момент встречного течения потока реки, создается возможность направленного вращения рабочего колеса, при этом лопасти, естественным образом нивелируются относительно потока, тем самым развивая максимальную мощность гидротурбины в целом.
Заявленная для работы скорость течения реки 1 м/с и достигнутое гидростатическое давление 1 МПа в гидросистеме при площади ометания 4 м2 подтверждена.
Использование предлагаемых решений повышения эффективности работы отдельных элементов энергетических систем северных и арктических территорий позволят усовершенствовать методы, средства и системы управления для эффективного функционирования и повышения надежности электроэнергетических систем на базе их интеллектуализации, обеспечить управляемость и повысить надежность систем передачи и распределения электрической энергии на основе сильноточной электроники в условиях экстремально низких температур и многолетнемерзлых грунтов, а также использовать новые методы и способы эффективной распределенной генерации, в том числе на основе возобновляемых источников энергии согласно концепции развития энергетической инфраструктуры арктических территорий РФ.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (научная тема FWRS-2024-0031).
Литература
1. Местников, Н. П. Прикладные способы усовершенствования солнечных электростанций в условиях Севера / Н. П. Местников, А. И. Хайбуллина, А. М. Н. Альзаккар. -Якутск : Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2023.
2. Реев, В. Г. Анализ внедрения тепловой насосной установки в условиях Севера и Арктики Республики Саха (Якутия) / В. Г. Реев, П. Ф. Васильев // Новые технологии в учебном процессе и производстве : Материалы XXI Международной научно-технической конференции, посвящённой 35-летию полета орбитального корабля-ракетоплана многоразовой транспортной космической системы «Буран», Рязань, 12-14 апреля 2023 года / Под редакцией А.Н. Паршина. - Рязань: Рязанский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Московский политехнический университет», 2023.
3. Реев, В. Г. Расчет цикла теплового насоса при различных источниках низкопотенциального тепла в условиях Арктики Республики Саха (Якутия) / В. Г. Реев, Д. С. Г. Утум // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. - 2023.
4. Гришаев А. А. Энергетика свободного падения. Институт метрологии времени и пространства, Москва: 2010. С 1-3.
5. Лямасов А.К. Разработка и исследования повышающего гидротрансформатора для гидроэнергетических установок малых и микро-ГЭС // Диссертация. - 2014. С 16-43.
