34II Международная научно-практическая конференция
Мирошниченко Алексей Александрович Miroshnichenko Alexey Alexandrovich
Аспирант Graduate student Кулганатов Аскар Зайдакбаевич Kulganatov Askar Zaydakbaevich
Магистрант Undergraduate Станчаускас Виталий Иванович Stanchauskas Vitaliy Ivanovich
Студент Student
Южно-Уральский государственный университет
South Ural State University
РАСЧЕТ ГИБРИДНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ВИЭ, РАБОТАЮЩЕЙ
ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ
CALCULATION OF A HYBRID RES-BASED INSTALLATION OPERATING IN PARALLEL WITH THE NETWORK
Аннотация: В статье рассматривается расчет чистого дисконтированного дохода гибридной системы, содержащей ветро-солнечную установку. Расчеты основаны на комбинированном процессе моделирования системы с оптимизацией основных, связанных с инвестициями переменных с целью максимизации дохода от инвестиций. Рассмотрен вопрос использования ветро-солнечной установки для снижения затрат. Инвестиционные затраты зависят от местоположения гибридной установки и её размеров. Таким образом, статья является практическим инструментом для инвесторов для оценки и оптимизации финансовых планов. К предложенной методике возможно применить оптимизационные мероприятия.
Abstract: The article considers the calculation of the net present value of the hybrid system containing a wind-solar installation. The calculations are based on a combined system modeling process with optimization of the main investment-related variables in order to maximize return on investment. The issue of using a wind-solar installation to reduce costs. Investment costs depend on the location of the hybrid installation and its size. Thus, the article is a practical tool for investors to evaluate and optimize financial plans. It is possible to apply optimization measures to the proposed methodology.
УДК 62
Научные междисциплинарные исследования
Ключевые слова: Возобновляемые источники энергии, гибридный энергокомплекс, энергоэффективность.
Key words: Renewable energy sources, hybrid energy complex, energy efficiency.
Введение
Рост цен на топливо в большинстве стран мира может быть обусловлен постепенным истощением ископаемых ресурсов, а также постоянно повышающимся спросом на электрическую и тепловую энергию, вызванный ростом численности населения и темпов производства. Более того, сжигание ископаемого топлива увеличивает «парниковый эффект» и загрязняет окружающую среду. В связи с этим, в последние десятилетия учёные указывают на необходимость к переходу на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Энергия ветра, солнца, движущихся водных потоков, низкопотенциального тепла земли и др. может быть широко использована в тех местах, где применение того или иного источника «зелёной энергии» экономически и технически оправдано. Другими словами, потенциал одного из источников явно преобладает над другими. Однако, для повышения надежности генерации энергии становятся актуальными комбинированные установки, которые могут объединять несколько таких источников. Наиболее распространёнными гибридными системами стали ветро-солнечные установки, благодаря широкой доступности данных источников, неограниченным ресурсам и постоянной снижающей стоимости выработанной энергии. Гибридные энергокомплексы позволяют вырабатывать энергию даже тогда, когда затруднительна генерация от одного из источников (в безветренную или пасмурную погоду).
Многочисленные исследования по использованию энергии ветра и солнца, помимо вышеназванных преимуществ, демонстрируют и явные недостатки: зависимость от климатических условий, погоды, а также проблемы с удовлетворением пиков нагрузки в течение суток. Данные проблемы, в большинстве случаев, решают с помощью внедрения в установку
II Международная научно-практическая конференция на базе ВИЭ аккумуляторных батарей (АКБ). Также возможны случаи, когда
в качестве резервного источника энергии выступает генератор на жидком
топливе, либо энергия, получаемая из единой сети. Также проводится большая
работа по оптимизации компонентов гибридных установок [1-3]. Авторы
данных исследований стараются повысить эффективность работы
энергокомплексов и рассчитать наименьшую стоимость генерируемой
энергии для конкретного региона.
В данной статье будет рассмотрена работа автономного гибридного ветро-солнечного энергокомплекса с аккумуляторными батареями, основанная на оценке вероятности потери электропитания и оценке среднегодовых затрат. Цель - найти оптимум в выработке между двумя режимами: обеспечивать требуемую потребителем надежность при наименьших затратах.
Математическое моделирование компонентов системы.
Рис. 1. Схема гибридной ветро-солнечной установки
На рисунке 1 представим схему моделируемого гибридного энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии. Согласно схеме, энергокомплекс включает в себя ветроэнергетическую установку, фотоэлектрическую установку, аккумуляторные батареи, инвертор,
Научные междисциплинарные исследования контроллер заряда, вспомогательное оборудование и провода для соединения элементов. В данной работе система функционирует так, что в течение дня солнечные панели генерируют энергию в сеть (или удовлетворяют потребности нагрузки), а избыточная энергия накапливается в АКБ. Энергия ветра вырабатывается так, что она запасается в АКБ и после отдается в сеть. В ночное время постоянно вырабатывается и запасается в аккумуляторах [4].
Существует много решений оптимизационной задачи с учетом разнообразного выбора оборудования и сроков его службы. В данной работе будет рассмотрено 3 сценария развития событий:
1) Дорогой вариант - использование дорогостоящего оборудования и материалов
2) Средний вариант - использование среднерыночных цена на оборудование и материалы
3) Дешёвый вариант - использование самое дешевое оборудования и материалов
Финансовую оценку отразим в таблице 1.
Таблица 1. Рассмотрение инвестиционных вариантов затрат
Дорогой вариант Средний вариант Дешёвый вариант
Капитальные Высокие Средние Низкие
затраты
Эксплуатационные Низкие Средние Высокие
расходы
Срок службы Высокий Средний Низкий
Вид АКБ Литий-ионные Никель-кадмиевые Свинцово-кислотные
В гибридном энергокомплексе ветровая и солнечная энергии используются для электроснабжения бытовых приборов. Таким образом, в системе необходимо предусмотреть инвертор.
Т.к генерационные установки не гарантируют круглосуточного круглогодичного электроснабжения, необходимо использовать генератор на
II Международная научно-практическая конференция жидком топливе, либо иметь в резерве питание от единой сети. Обычно
выделяют 2 вида источников энергии:
1) Первичные источники, в нашем случае такими будут являться солнечная и ветровая энергия для электроснабжения выбранного объекта. Энергия от единой седи будет использоваться в качестве резерва, если уровень заряда аккумуляторных батарей не удовлетворяет потребностям нагрузки.
2) Вторичные источники, когда энергии от ВИЭ недостаточно, и энергия поступает потребителю от единой сети. В таком случае, ветровая и солнечная энергия будут являться вторичными источниками.
В данной статье, источники с ВИЭ будут использоваться в качестве первичных.
Составление математической модели
Для составления уравнений, описывающих математическую модель, остановимся на основных параметрах, которые главным образом влияют на параметры системы:
PME - величина электрической мощности гибридного энергокомплекса
PS - величина пиковой мощности солнечных батарей
PW - величина пиковой мощности ветроэнергетической установки
Основным уравнением модели будет расчет максимальной чистой приведенной стоимости (в англ. источниках как NPV, net present value) для конкретного периода времени. Расчет данной величины необходим для определения вложений в реализацию проекта энергокомплекса на все сроке его службы. Следующее выражение определяет и оценивает оптимальные значения всех инвестиционных параметров.
NPV = (R№TE + Rreine ) • DF - (Is + Iw + Ic + IET ) - (As + Aw + Aet ) • DF
Отметим, что требуется максимизация данного выражение. Также в выражении не рассматривается уплата налогов. Все параметры, связанные с финансами, связаны с постоянным коэффициентом DF, являющимся коэффициентом дисконтирования, который определяется по следующему выражению:
=
Научные междисциплинарные исследования 1 - [1 + (1 - р)(1 + р) ]—к
1 - р
где i - величина процентной ставки, p - уровень инфляции, N - срок службы рассматриваемого энергокомплекса Расчет прибыли установки
Далее рассмотрим выражения, описывающие уровень доходов от работы энергокомплекса. Параметр RNETE в целом оценивает прибыль, полученную при генерации энергии от ВИЭ в сеть [5].
ЯЫЕТЕ = СЕ (1 — Пе ((ЕИЕ5г + ЕЕИЕШг ) — ЕВС )) ,
где EHES - количество энергии, выработанной от солнечных батарей,
кВт/ч
EEHEW - количество энергии, выработанной от ветроэнергетической установки, кВт/ч
EDC - количество потребленной энергии, кВт/ч П - величина потерь при передаче, % Величину EDC определим следующим образом:
ЕБС = С1 ЕМ8< + ЕОТ) + CW Е WT + ЕСТ + Е*) ,
где С! - стоимость потерь от солнечной батареи, руб., ^ - стоимость потерь от ветроэнергетической установки, руб., EмSt - величина потерь электроэнергии от солнечных батарей, кВт, EGTt - потери энергии в инверторе, кВт, EWT - потери энергии в ВЭУ в процессе преобразования энергии, кВт, ECT - потери энергии в контроллере, кВт, ESt - потери энергии в накопителе, кВт представляет собой электрическую мощность, доступную для
компенсации:
я = С ■ Р
А^КЕЕЫЕ СЕ 1 МЕ
где СЕ - доход от продажи электроэнергии, руб/кВт Расчет издержек
Далее перейдем к расчету финансовых издержек. Параметр AS является операционными расходами на содержание солнечных батарей:
= °8С8Р8
II Международная научно-практическая конференция
где OS - стоимость расходов как часть суммарных затрат, С - стоимость работ в расчете на 1 кВт мощности
д _ п Г Р
^ = OWCWPW
где OW - стоимость расходов как часть суммарных затрат, ^ -стоимость работ в расчете на 1 кВт мощности
Далее определим стоимость пиковую мощности солнечных батарей
^ = С8р
где С - стоимость 1 кВт пиковой мощности
Далее определим стоимость пиковую мощности ветроэнергетической установки
I = с р
CWPW
где CW - стоимость 1 кВт пиковой мощности от ВЭУ
1ЕТ представляет собой стоимость подключения энергоустановки к национальным сетям
1ЕТ = L ' ССЕТУ + СЕТЕ
где L - суммарная длина линии для подключения к сетям (км), ССЕТУ -изменение инвестиционной стоимости (руб*км-1), СЕТг - фиксированная стоимость подключения.
Параметр АЕТ является операционными расходами на линии электропередач как часть от общих инвестиционных затрат.
Ограничения
В любом моделировании процессов вводят дополнительные ограничения для упрощения математических расчетов. Ограничения, накладываемые на выработку энергии накладываются ввиду того, что количества генерируемой солнечной и ветровой энергии должно быть достаточно для удовлетворения потребностей нагрузки, иначе нецелесообразно возводить энергокомплекс в принципе [6].
Таким образом, введем следующее ограничение:
ЕЭ + EW — ЕБТ ,
Научные междисциплинарные исследования
где Es - энергия, генерируемая от солнечных панелей, EW - энергия, генерируемая от ветроэнергетической установки, EW - энергия, требуемая потребителю.
Также логично внести законодательные ограничения в работу. Однако, в Российской Федерации на сегодняшний день возобновляемая энергетика находится на недостаточно высоком уровне, поэтому, ввиду отсутствия регулирования для малой генерации установок, содержащих ВИЭ, не будем вводить ограничений в данном направлении [7].
Заключение
В статья авторами приведение математические выражения, позволяющие смоделировать работу гибридного энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии, работающего параллельно с сетью. Необходимо знать местоположение установки и характеристики применяемого оборудования. Авторы не приводят численные расчеты ввиду многообразия значения параметров оборудования. Численные расчеты могут быть проведены, если известен конкретный регион, объект электроснабжения, состав оборудования и др. параметры.
Библиографический список:
1. Yang, H., Zhou, W., Lu, L., and Fang, Z 2008, Optimal Sizing Method For Stand-Alone hybrid Solar-Wind System With LPSP Technology By Using Genetic Algorithm, Solar Energy, Vol. 82, pp. 354.
2. Bakos GC, Tsagas NF 2003, Technoeconomic assessment of a hybrid solar/wind installation for electrical energy saving. Energy Build ;35(2): 139-45.
3. K. Mousa, Ali Diabat, Hamzah S. Alzu'bi 2010. "Design of hybrid solar and wind power plant using optimization". Engineering Systems Management and Its Applications, IEEE explore, Abu Dhabhi, Pages 1-6.
4. Мирошниченко, А.А. Перспективы использования гибридных ветро-солнечных установок для энергоснабжения автономных потребителей России / А.А. Мирошниченко, А.З. Кулганатов, Е.М. Гордиевский, А.А. Ковалёв, Е.В.
II Международная научно-практическая конференция Соломин // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2019. - № 1-3 (39). - С. 10-18
5. Gordievsky E. Review of Idea on Development of Mobile Scalable Power-Complex Based on Renewables / E. Gordievsky, A. Ibrahim, A. Miroshnichenko // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019
6. Кривенко Т.В. Развитие моделей и методов оценки надежности автономных систем генерации, использующих возобновляемые источники энергии: дис. канд. техн. наук: 2018. - 1 Сибирский федеральный университет, Красноярск.
7. Стребков, Д.С. Разработка научных основ интегрированных и преобразовательных систем возобновляемых источников энергии для создания новых средств энергообеспечения села / Д.С, Стребков, В.П. Муругов, Э.В. Тверьянович, В.М. Усаковский //Российский фонд фундаментальных исследований
