CC BY
39УДК 621.311.26
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ПУТЕМ АККУМУЛИРОВАНИЯ ГЕНЕРИРУЕМОЙ ИМИ ЭНЕРГИИ
Асанов М.М., Бекиров Э.А.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181
E-mail: kaf_energo@cfuv.ru
Аннотация. Рассматривается возможность аккумулирования энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками. Проанализированы существующие комбинированные энергообъекты. Сделан вывод о том, что наиболее перспективными для совместного использования с возобновляемыми источниками энергии являются гидро- и газоаккумулирующие электростанции. Рассчитана годовая выработка электроэнергии солнечной и ветряной электростанций расчетной мощностью по 6 МВт, расположенных на территории полуострова Крым. Смоделирована совместная работа выбранных электростанций с аккумулирующими. Предложены возможные схемы такого комбинированного энергообъекта и режимы его работы.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, газоаккумулирующая электростанция, гидроаккумулирующая электростанция, совместная работа, эффективность, надежность, полуостров Крым
ВВЕДЕНИЕ
Доля электрической энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками, непрерывно растет. Этому способствует целый ряд причин, среди которых можно выделить заботу об окружающей среде, стремление к энергонезависимости, возможность энергоснабжения объектов, удаленных от основных сетей.
Полуостров Крым благодаря своему географическому расположению обладает большим потенциалом использования возобновляемых источников энергии. Так, продолжительность солнечного сияния на территории Крыма в среднем составляет 2200-2500 ч/год [1], а годовая сумма общего излучения, падающего на горизонтально установленные фотоэлектрические панели достигает 1550 кВт ч/м2 [2]. В свою очередь, длина береговой линии Крымского полуострова по разным оценкам составляет от 720 км [1] до 980 км [3], где средняя годовая скорость ветра составляет 5 - 6 м/с [4, 5]. На сегодняшний день на полуострове эксплуатируются пять солнечных и шесть ветряных электростанций общей установленной мощностью 318,76 МВт, что по состоянию на конец 2015 года составляло 39,4 % от всей генерируемой электроэнергии [6 - 8].
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Однако выработка электроэнергии как солнечными, так и ветряными электростанциями напрямую зависит от изменения погодных условий. В связи с этим очень трудно прогнозировать мощность, реально вырабатываемую такими электростанциями, и тем более изменять ее величину для удовлетворения требований потребителей.
Решением этой проблемы может стать аккумулирование всей или части вырабатываемой возобновляемыми источниками электроэнергии с последующей ее выдачей в сеть по мере необходимости. Среди всех способов
аккумулирования энергии наиболее
перспективными для совместной работы с солнечными и ветряными электростанциями, по мнению авторов, являются гидро- и газоаккумулирующие электростанции [9 - 11].
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Анализ работы таких гибридных электростанций, включающих в себя возобновляемые источники и аккумулирующие электростанции, рассмотрен в целом ряде работ [12 -17].
В [12 - 15] рассмотрена совместная работа газоаккумулирующей и ветряной электростанций. Авторами [12] предложена газоаккумулирующая электростанция для оффшорных ветряных турбин, которая использует близкотермическое
сжатие/расширение и хранение энергии перед преобразованием в электрическую. Сжатый воздух хранится в так называемом «открытом аккумуляторе». Моделирование этой системы проведено в [14]. Приведены выражения для расчета параметров всех компонентов системы, а также система уравнений ее динамической модели. Разработана система управления, оценен экономический эффект от внедрения предлагаемой электростанции. В [15] описаны основные принципы работы и особенности построения газоаккумулирующей электростанции. Рассмотрена совместная работа газоаккумулирующей и ветряной электростанций. Проанализирована возможность строительства таких комбинированных
электростанций на территории Польши. Анализ технологий аккумулирования энергии для использования с гидравлической
ветроэнергетической системой представлен в [13]. Рассмотрены три варианта хранения энергии: газоаккумулирование, метод на основе использования батареи и гидроаккумулирование. Отмечено, что газоаккумулирование выгодно
отличается от всех остальных методов и его использование в дальнейшем наиболее перспективно. Особый интерес представляют системы хранения сжатого воздуха, устанавливаемые под водой [18 - 20]. В [18] проведен детальный анализ такой системы, выполнено ее моделирование. Эффективность описанной системы составила 56,2 %. Принципы хранения сжатого воздуха под водой в специально для этого созданных «энергетических мешках» рассмотрены в [19]. Отмечается, что использование описанных систем хранения воздуха обладает целым рядом преимуществ, в том числе, все требования, предъявляемые к резервуару, находящемуся под давлением, исчезают, т.к. окружающее резервуар гидростатическое давление противостоит давлению хранимого воздуха. Кроме того, напряжение, которому подвергается полностью заполненный резервуар, практически не зависит от глубины его погружения, т. е. давление внутри резервуара остается постоянным независимо от объема заполнения. В [20] проведен энергетический анализ трех типов систем хранения сжатого воздуха под водой: адиабатический, с и без рекуперации. Проведено моделирование этих систем и составлены уравнения баланса. Отмечено, что система хранения с рекуперацией обладает большей надежность, мощностью и быстрым стартом по сравнению с другими анализируемыми системами.
Различные системы гидроаккумулирующей электростанции проанализированы в [16, 17]. В [16] детально описываются предпосылки создания, история, обзор применяемых технологий гидроаккумулирующих электростанций.
Рассмотрены проекты новых электростанций. Проанализирована возможность работы такой системы совместной с возобновляемыми источниками энергии. Сделано вывод о том, что дальнейшее развитие технологий
гидроаккумулирования будет способствовать увеличению надежности системы
электроснабжения, расширит возможности использования возобновляемых источников энергии, тем самым уменьшит вредные выбросы в атмосферу. В [17] рассмотрены основные принципы функционирования гидроаккумулирующих
электростанций. Описаны гидроэлектростанции, которые уже существуют, находятся на этапе строительства или проектирования на территории Португалии. Рассмотрен проект расширения гидроэлектростанции АЦиеуа I, расположенной на реке Гвадиана, путем строительства дополнительного блока А^иеуа II. В основном он будет использоваться для регулирования мощности в электрической сети.
Описание комбинированной генерирующей/аккумулирующей энергетической системы
Целью данной работы является рассмотрение совместной работы возобновляемых источников
энергии и систем хранения энергии, анализ возможных режимов их работы.
В качестве источника электрической энергии взяты две электростанции - ветряная и солнечная, обе установленной мощностью 6 МВт. Для ветряной электростанции были выбраны турбины Т600-48, а для солнечной - фотоэлектрические элементы КУ-185W/24V. Местом расположения ветряной электростанции выбран Сакский район на западе Крыма, а солнечной - вблизи г. Феодосия на юго-востоке полуострова. В выбранных регионах Крыма на сегодняшний день уже существуют электростанции на возобновляемых источниках: Мирновская ВЭС мощностью 19 МВт в Сакском районе и СЭС «Владиславовка» мощностью 110 МВт в Кировском районе. Изменение выработки электроэнергии выбранными электростанциями в течение года изображены на рис. 1. Расчеты проведены на основании метеорологических данных для указанных регионов и технических параметров для выбранного энергооборудования,
представленных в [21].
2000 ^500
я г
н1000
~ 500 0
есяц
9 10 11 12
Рис. 1. Выработка электроэнергии солнечной (СЭС) и ветряной электростанциями (ВЭС)
Как уже было отмечено, ввиду особенностей функционирования солнечной и ветряной электростанций нельзя гарантировать стабильную и надежную выдачу ими расчетной мощности, т.к. текущие погодные условия могут отличаться от представленных в истории метеонаблюдений. Резкое внезапное изменение величины генерируемой мощности повлечет за собой изменение баланса мощности в энергосистеме. Это даст начало возникновению переходных процессов и флуктуаций напряжения и частоты. Такая электростанция будет отключена от общей сети и переведена на собственную нагрузку, что приведет к дефициту мощности в энергосистеме. Кроме того, возникнут дополнительные осложнения, связанные с необходимостью проведения мероприятий по переподключению электростанции на параллельную работу с сетью.
Аккумулирование электроэнергии генерируемой такими источниками со стабильной последующей выдачей в сеть позволит выровнить график выработки ими мощности. Однако, хранение всей вырабатываемой солнечной или ветряной
электростанцией энергии технически и экономически сложно и нецелесообразно.
Как следствие, для совместной работы генерирующей и аккумулирующей электростанций предлагается использовать следующий алгоритм. Энергию, вырабатываемую электростанцией, следует разделить на две части между двумя потребителями: одна часть будет направлена напрямую в энергосистему, вторая - в аккумулирующую электростанцию. Величина первой части, так называемое пороговое значение, должна быть такой, чтобы электростанция обеспечивала стабильную выработку этой энергии большую часть времени.
Распределение энергии между потребителями предлагается сделать не постоянным, а варьировать от месяца к месяцу.
Так, для солнечной электростанции в первые и последние три месяца года, т.е. месяцы с наименьшей солнечной активностью, в энергосистему будет отдаваться 60% от расчетной выработки электроэнергии. А в остальное время года - 80%. Остальная часть энергии будет аккумулироваться в газоаккумулирующей или гидроаккумулирующей электростанции.
Для ветряной электростанции в месяцы с неблагоприятными погодными условиями, а именно в шестой, девятый и одиннадцатый, распределение энергии между потребителями будет составлять 60%/40%. В остальные месяцы - 80%/20%. Распределение выработанной электростанциями энергии между энергосистемой и аккумулирующей электростанцией показаны на рис. 2.
Как видно из рис. 2, энергия, запасаемая в аккумулирующей электростанции, изменяется в течение года. Это приведет к тому, что в месяцы, когда рассчитывается запасать малое количество энергии, часть оборудования аккумулирующей электростанции и ее хранилища не будут использоваться.
Следует подбирать тип, мощность компрессоров/насосов и генераторов таким образом, чтобы даже в моменты, когда подаваемая для аккумулирования энергия минимальна, происходила закачка воздуха/воды в хранилища. Для более точного распределения энергии, подаваемой в энергосистему и аккумулирующую электростанцию, необходимо проводить более детальные метеорологические исследования и натурные эксперименты. В результате, может оказаться целесообразной корректировка распределения энергии отдельно на каждый день или в течение одного дня.
- 1500 «
а
и а
о
* иГ000
« Й
я ^
*
и Н
Ш £ "
г Е = г
¡500
и
я
2000
К Я и
£Д500
о и
§ 1*4000
си ра Н
н ^500
аккумулирование
1 2 3 4 ^67
1Л 10 11 12 Ме- —
!есяц
о
я
аккумулирование
1 2 3 4 5б) 6 7
Л 10 11 12 Ме
есяц
Рис. 2. Распределение выработанной электростанциями энергии: а) солнечная электростанция; б) ветряная электростанция
В свою очередь, КПД газоаккумулирующей электростанции по разным оценкам составляет 60 -70%, гидроаккумулирующей - 70 - 80% [16, 18]. Изменение суммарной выработки генерирующей и аккумулирующей электростанциями в течение года с учетом потерь на преобразование энергии в последней представлено на рис. 3. КПД для обеих аккумулирующих электростанций был принят 70%.
В целом, суточный график совместной выработки энергии генерирующей и аккумулирующей электростанциями может выглядеть, как это показано на рис. 4.
Упрощенная электрическая схема такой комбинированной энергетической системы может иметь вид, представленный на рис. 5.
Такая схема может иметь несколько режимов работы.
1. Погодные условия в регионе размещения электростанции благоприятны и величина генерируемой ею мощности превышает установленное пороговое значение, отдаваемое в общую энергосистему. Тогда, замыкаются соответствующие выключатели и запускаются компрессоры/насосы аккумулирующей
электростанции для закачки воздуха/воды в хранилища. В результате электростанция снабжает потребителей энергосистемы, а избыток энергии накапливается в аккумулирующей электростанции.
сеть
0
сеть
0
1500
3 Н1000
8
§ 500
и а е
я
2000
К ^
§ Г1500 3 н
е
сеть акку1 мул иро вание
III III
1 2 3 4 5а) 6 7
11 12
,1000
в-а ,
н И
х Я
Л » 500
аккумулирование
12 3 4
55;
6 7
ММесяц
11 12
Рис. 3. Распределение выработанной электростанциями энергии с учетом потерь на ее преобразование: а) солнечная электростанция; б) ветряная электростанция
■ 1 «2 И3~4
л* Ф л* Ф
V V V л- О)" ^ ф ^ г|>- г£у
а)
1 И2 и3"4
V V ь- л- Ч'Д'Л' ~ ' "
Рис. 4. Возможный пример суточного графика совместной выработки энергии генерирующей и аккумулирующей электростанциями: а) солнечная электростанция; б) ветряная электростанция; 1) энергия, отдаваемая в сеть генерирующей электростанцией; 2) энергия, запасаемая/выдаваемая
аккумулирующей электростанцией; 3) энергия, компенсируемая сетью; 4) установленное пороговое значение мощности, выдаваемой электростанциями 2. Хранилища аккумулирующей электростанции заполнены, а мощность, вырабатываемая генерирующей электростанцией в сеть, ниже установленного уровня или наблюдается резкий
скачок потребления в энергосистеме. Аккумулирующая электростанция переключается в генераторный режим работы для покрытия возникшего дефицита мощности.
3. В случае, когда собственной генерации электростанции недостаточно для закачки воздуха/воды в хранилища, они могут быть заполнены от энергосистемы при наличии там избытка мощности.
ВЫВОДЫ
Роль возобновляемых источников в обеспечении потребителей электроэнергией, в том числе и на
растет. устройств образом, заботе об
показал, что
совместной
источниками
полуострове Крым, непрерывно Возрастающая популярность таких генерации обусловлена, главным стремлением к энергонезависимости и окружающей среде. Особенностью этих источников, а вместе с тем и их основным недостатком, является прямая зависимость объема вырабатываемой ими электроэнергии от переменчивых погодных условий. Повысить эффективность и надежность работы возобновляемых источников возможно путем аккумулирования вырабатываемой ими энергии для последующей выдаче ее в энергосистему. Анализ литературных источников наиболее перспективными для работы с возобновляемыми являются газо- и
гидроаккумулирующие электростанции. В качестве примера, авторами были взяты солнечная и ветряная электростанции мощностью по 6 МВт, расположенные на территории полуострова Крым. Предложено ограничить выдачу электроэнергии станциями в сеть до определенного порогового значения, а излишек энергии, при наличии, направлять в аккумулирующую электростанцию. Величину порогового значения рекомендуется варьировать в течение года в зависимости от изменения погодных условий. Рассчитана годовая выработка электроэнергии выбранных
электростанций и суммарная выработка этих электростанций совместно с аккумулирующими. Рассмотрены возможные схемы рассматриваемого энергообъекта. Предложены режимы его работы.
Расчеты показали, что использование аккумулирующих электростанций совместно с возобновляемыми источниками обеспечит стабильную генерацию мощности в энергосистему, придаст им маневренность в случае необходимости покрытия пиковых часов графика электрической нагрузки, даст возможность участвовать в регулировании частоты и напряжения при резких изменениях нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлова М.С. Морские берега Крыма как ресурс рекреации (на примере берегов Западного Крыма). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук. М.: 2010. - 26 с.
сеть
0
2. Solar radiation and photovoltaic electricity potential country and regional maps for Europe [http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm].
3. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Республики Крым в 2013 году. г. Симферополь: Рескомприроды Крыма, 2013. - 136 с.
4. Репетин Л.Н., Белокопытов В.Н.. Режим ветра над побережьем и шельфом северо-восточной части Черного моря // Научные труды УкрНГГМИ. -2008. - Вып. 257. - С. 84 - 105.
5. Репетин Л.Н., Белокопытов В.Н. Режим ветра северо-западной части Черного моря и его климатические изменения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. -2008. - вып.17. - С.225-243/
6. Бекиров Э.А. Повышение энергетического потенциала Крыма при использовании возобновляемых источников энергии // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - 2013. - Вып. 68. - С. 47 - 51.
7. Об утверждении схемы и программы развития Единой энергетической системы России на 2015 - 2021 годы. Министерство энергетики Российской Федерации. Приказ № 627 от 9.09.2015 г. 442 с.
8. Бекиров Э.А. Рост электропотребления в Крыму // Строительство и тех-ногенная безопасность. - 2017. - № 6(58). - С. 66 - 70.
9. Hadjipaschalis I., Poullikkas A., Efthimiou V. Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13, P. 1513 -1522.
10. Kim Y. M., Lee J.H., Kim S.J., Favrat D. Potential and Evolution of Compressed Air Energy Storage: Energy and Exergy Analyses. Entropy, 2012, 14, P. 1501 - 1521.
11. Energy Storage - Technologies and Applications, Edited by A. F. Zobaa, InTech, 2013.
12. Li P.Y., Loth E., Simon T.W., de Ven J.D.V., Crane S.E.. Compressed air energy storage for offshore wind turbines. In Proceedings of the 2011 international fluid power exhibition (IFPE), Las Vegas, NV, 2011.
13. Vaezi M., Izadian A. Energy Storage Techniques for Hydraulic Wind Power Systems. In Proceedings of the 3rd International Conference on Renewable Energy Research and Applications, Milwakuee, USA, 2014, P. 897 - 901.
14. Saadat M., Shirazi F.A., Li P. Y. Modeling and control of an open accumulator Compressed Air Energy Storage (CAES) system for wind turbines. Applied Energy, 2015, 137, P. 603 - 616.
15. Milewski J., Badyda K., Szablowski L. Compressed Air Energy Storage Systems. Journal of Power Technologies, 2016, 96 (4), P. 245-260.
16. Botterud A., Levin T., Koritarov V. Pumped Storage Hydropower: Benefits for Grid Reliability and Integration of Variable Renewable Energy, Argonne National Laboratory, 2014.
17. Ramos H.M., Amaral M.P., Covas D.I.C. Pumped-Storage Solution towards Energy Efficiency
and Sustainability: Portugal Contribution and Real Case Studies. Journal of Water Resource and Protection, 2014, 6, P. 1099-1111.
18. Cheung B.C., Carriveau R., Ting D. S.-K. Parameters affecting scalable underwater compressed air energy storage. Applied Energy, 2014, 134, P. 239247.
19. de Jong M. Commercial Grid Scaling of Energy Bags for Underwater Compressed Air Energy Storage. In Proceedings of 2014 Offshore Energy & Storage Symposium Windsor, Canada, 2014.
20. Salyga S., Szablowski L., Badyda K. Energy analysis of underwater energy storage system based on compressed air. Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery, 2016, 131, P. 151 - 160.
21. Учебное пособие по выполнению квалификационной работы по направлению 13.03.02 электроэнергетика и электротехника. Под ред. Бекирова Э.А., Воскресенской С.Н. Симферополь, ИТ «Ариал», 2017.
REFERENCES
1. Orlov, M. S. Sea coast as a recreation resource (for example, the coast of Western Crimea). The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of geographical Sciences. M.: 2010. - 26 S.
2. Solar radiation and photovoltaic electricity potential country and regional maps for Europe [http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm].report on the state and environmental protection of the Republic of Crimea in 2013. Simferopol: Crimea reskomprirody, 2013. - 136 p.
3. Repetin L. N., Belokopytov V. N.. wind Regime over the coast and shelf of the North-Eastern part of the Black sea // proceedings of Ukrnigmi. - 2008. - Vol. 257. - P. 84 - 105.
4. Repetin L. N., Belokopytov V. N. The wind regime of the North-Western Black sea and its climate change // Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources. - 2008. - vol.17. -P. 225-243/
5. Bakirov, E. A. increasing the energy potential of the Crimea in the use of renewable energy sources / Building. Materials. Engineering. - 2013. - Vol. 68. -S. 47 - 51.
6. approval of schemes and programs of development of Unified energy system of Russia for 2015 - 2021. The Ministry of energy of the Russian Federation. The order № 627 from 9.09.2015 G. S. 442
7. Bakirov, E. A. the Growth of energy consumption in the Crimea // Construction and novena security. - 2017. - № 6(58). - P. 66 - 70.
8. I. Hadjipaschalis, Poullikkas A., Efthimiou V. Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13, P. 1513 -1522.
9. Kim Y. M., Lee J. H., Kim S. J., Favrat D. Potential and Evolution of Compressed Air Energy Storage: Energy and Exergy Analyses. Entropy, 2012, 14, P. 1501 - 1521.
10. Energy Storage - Technologies and Applications, Edited by A. F. Zobaa, InTech, 2013.
11. P. Y. Li, E. Loth, T. W. Simon, de Ven, J. V. D., Crane S. E.. Compressed air energy storage for offshore wind turbines. In Proceedings of the 2011 international fluid power exhibition (IFPE), Las Vegas, NV, 2011.
12. M. Vaezi, A. Izadian Energy Storage Techniques for Hydraulic Wind Power Systems. In Proceedings of the 3rd International Conference on Renewable Energy Research and Applications Milwakuee, USA, 2014, P. 897 - 901.
13. M. Saadat, F. Shirazi A., P. Y. Li Modeling and control of an open accumulator Compressed Air Energy Storage (CAES) system for wind turbines. Applied Energy, 2015, 137, P. 603 - 616.
14. J. Milewski, K. Badyda, Szablowski L. Compressed Air Energy Storage Systems. Journal of Power Technologies, 2016, 96 (4), P. 245-260.
15. Botterud A., Levin T., V. Koritarov Pumped Storage Hydropower: Benefits for Grid Reliability and Integration of Variable Renewable Energy, Argonne National Laboratory, 2014.
16. Ramos H. M., Amaral M. P., Covas D. I. C. Pumped-Storage Solution towards Energy Efficiency and Sustainability: Portugal Contribution and Real Case Studies. Journal of Water Resource and Protection, 2014, 6, P. 1099-1111.
17. C. B. Cheung, R. Carriveau, Ting D. S.-K. Parameters affecting scalable underwater compressed air energy storage. Applied Energy, 2014, 134, P. 239247.
18. de Jong M. Commercial Grid Scaling of Energy Bags for Underwater Compressed Air Energy Storage. In Proceedings of 2014 Offshore Energy & Storage Symposium Windsor, Canada, 2014.
19. S. Salyga, L. Szablowski, Badyda K. Energy analysis of underwater energy storage system based on compressed air. Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery, 2016, 131, P. 151 - 160.
20. A tutorial on the eligibility of work in the direction 13.03.02 power and electrical engineering. Ed Bekirova E. A., Voskresenskaya, S. N. Simferopol, it "Arial", 2017.
Asanov M.M., Bekirov E.A.
INCREASING THE EFFICIENCY AND RELIABILITY OF RENEWABLE ENERGY SOURCES BY ACCUMULATING THE ENERGY GENERATED BY THEM
Summary. The possibility of accumulating the energy generated by renewable sources is considered. Existing combined power facilities are analyzed. It was concluded that the most promising for joint work with renewable energy sources are pumped hydro storage and compressed air energy storage power plants. The yearly power generation of solar and wind power plants with an estimated capacity of 6 MW each, located on the territory of the Crimea peninsula, is calculated. The combined work of the selected power plants with accumulating plants was simulated. Possible electric circuit of such a combined power facility and its operation modes are proposed.
Key words: renewable energy sources, compressed air energy storage, pumped hydro storage, joint work, efficiency, reliability, Crimea peninsula
