CC BY
18ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 05.05.12. Ред. рег. № 1328 The article has entered in publishing office 05.05.12. Ed. reg. No. 1328
УДК 620.92
ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ОСТРОВНОГО ПОСЕЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ПОС. СОЛОВЕЦКИЙ АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ)
1 2 2 А.Б. Тарасенко , Н.В. Тетерина , С.В. Киселева
'Объединенный институт высоких температур РАН 125412 Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2 Тел.: (495) 485-82-44, (495) 485-99-22, e-mail: tarasenko@energyprojects.ru 2Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1 Тел.: (495) 939-42-57, (495) 932-88-36, e-mail: rsemsu@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 20.05.12 Заключение совета экспертов: 23.05.12 Принято к публикации: 24.05.12
В данной работе рассматривались различные варианты оптимизации энергетического баланса изолированной островной территории на примере Соловецкого архипелага. Учитывались потенциал солнечной и ветровой энергии; графики нагрузки летнего и зимнего режимных дней. Показано, что лучшим вариантом оптимизации генерации является комбинация ДГУ и АКБ большой энергоемкости при условии, что установленная мощность ДГУ снижается до средней по режимному дню, а энергоемкость АКБ позволяет полностью компенсировать пики и спады потребления. Фактор роста цен на органическое топливо увеличит конкурентоспособность использования ВИЭ и снизит сроки окупаемости дополнительного оборудования.
Ключевые слова: энергоснабжение, островные территории, ресурсы солнечной энергии, ресурсы ветровой энергии, энергетический баланс, режимный день, ветро-дизельная станция, солнце-дизельная станция, дизель-генераторная установка, аккумуляторная батарея большой мощности.
THE POSSIBILITY OF ENERGY BALANCE OPTIMIZATION FOR ISLAND SETTLEMENT (ON THE EXAMPLE OF THE SOLOVETSKY VILLAGE,
ARKHANGELSK REGION)
A.B. Tarasenko1, N.V. Teterina2, S.V. Kiseleva2
'Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences 13/2 Izhorskaya str., Moscow, 125412, Russia Tel.: (495) 485-82-44, (495) 485-99-22, e-mail: tarasenko@energyprojects.ru 2Faculty of Geography of Lomonosov Moscow State University
1 Leninskiye Gory, Moscow, 119991, Russia Tel.: (495) 939-42-57, (495) 932-88-36, e-mail: rsemsu@mail.ru
Referred: 20.05.12 Expertise: 23.05.12 Accepted: 24.05.12
The research article is devoted to various solutions for an isolated island territory energy balance optimization (on the example of the Solovetski archipelago). The potential of solar, wind energy; typical energy consumption graph for summer and winter day were considered. It was shown that the best option is a combination of diesel generator set and battery pack with large energy capacity. Rising prices on fossil fuels can increase competitiveness of renewable energy sources and reduce the payback period of additional equipment.
Keywords: energy supply, island territory, potential of solar energy, potential of wind energy, energy balance, mode day, wind-diesel plant, sun-diesel plant, diesel generator set, battery pack with large energy capacity.
И*
Алексей Борисович Тарасенко
Нина Владимировна Тетерина
Сведения об авторе: младший научный сотрудник Лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН, руководитель отдела опытно-конструкторских работ ЗАО «Энергетические проекты».
Образование: факультет теоретической и экспериментальной физики МИФИ (2005 г.).
Область научных интересов: накопители электрической энергии, водородная энергетика и топливные элементы, гибридные энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии, фотоэнергетика.
Публикации: 9, включая патенты на изобретения.
Сведения об авторе: младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Образование: математический факультет МПГУ (2008 г.), степень бакалавра физ.-мат. образования. Географический факультет МГУ (2010 г.), степень магистра экологии и природопользования, аспирант по специальности экономическая, социальная, политическая и рекреационная география.
Область научных интересов: рациональное природопользование, возобновляемые источники энергии, морские млекопитающие.
Публикации: 10.
Софья Валентиновна Киселева
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ. Канд. физ.-мат. наук.
Образование: физический факультет МГУ (1987 г.), аспирантура того же факультета (1990 г.). Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; оценка ресурсов ВИЭ; лабораторное моделирование динамических процессов в океане.
Публикации: более 60, в том числе патенты на изобретения.
Введение.
Проблема энергоснабжения островных территорий
В мировой и отечественной практике существует немало примеров, когда энергоснабжение потребителя, расположенного на островной территории, осуществляется за счет локальной генерации. Альтернативой размещению на острове ДЭС (дизельной электростанции) является прокладка кабельной или воздушной линии электропередачи с материка либо использование местных возобновляемых источников энергии - солнца, ветра, гидроэнергетического потенциала. Однако для достаточно удаленных или расположенных в районах со сложными метеоусловиями территорий строительство линии электропередачи часто оказывается экономически неоправданным по сравнению с ДЭС. В то же время ДЭС также является не лучшим решением как с точки зрения экономики (себестоимость вырабатываемой электроэнергии напрямую зависит от завозимого с материка топлива, то есть от удаленности ближайшего нефтеперерабатывающего завода), так и с точки зрения экологического состояния территории. Это подтвердила недавняя авария на Соловецкой ДЭС, повлек-
шая как значительный ущерб для заповедной территории, так и серьезные убытки для компании «Ар-хоблЭнерго» (Государственное унитарное предприятие «Архангельская областная энергетическая компания»), эксплуатирующей данную ДЭС [1]. Однако использование местных ВЭ (возобновляемых энергоресурсов) может быть наилучшим решением только в одном случае - при правильной оценке их потенциала. В ряде случаев комбинация дорогой генерации на ВЭ с дешевой - с точки зрения капитальных затрат - ДЭС необходима для снижения общих затрат на установку, с одной стороны, и экономии дизельного топлива - с другой [2].
Соловецкий архипелаг является территорией, расположенной вне централизованного энергоснабжения. В настоящее время обеспечение пос. Соловецкого электроэнергией осуществляется за счет ДЭС, работающей на привозном топливе. Эта ДЭС была построена в 1940 г., и в настоящее время ее мощность составляет 1,6 МВт. Общая выработка ДЭС в 2010 г. составила 6788552 кВтч. В таких условиях есть предпосылки для использования местных возобновляемых энергоресурсов: энергии ветра, солнца, гидроресурсов, древесной биомассы.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Известен опыт использования малой гидроэлектростанции Спасо-Преображенским Соловецким ставропигиальным монастырем. Она имела мощность 700 кВт, функционировала с 1912 г. и прекратила свою работу после постройки ДЭС. В настоящее время есть примеры использования местными жителями солнечных батарей, а на острове Анзер действует ветровая установка малой мощности, снабжающая электроэнергией скит.
В пос. Соловецком (единственный населенный пункт Соловецкого архипелага) по данным переписи 2010 г. постоянно проживает 812 человек [3]. В последние годы увеличивается суммарное потребление энергии в пос. Соловецкий: в 2007 г. мощность нагрузки составила 750 кВт, а в 2010 г. - уже 1260 кВт.
В летний период остров посещает ежегодно около 20 000 туристов (по словам заведующего отделом информации и общественных связей центра «Друзья Соловков»). Поэтому в последние годы выдвигались различные проекты сооружения на Большом Соловецком острове ветроэнергетических установок (ВЭУ). Наиболее активной проявила себя в этом норвежская фирма «Тромс Крафт» [1]. В основном они касались создания крупных ВЭУ мегаваттной мощности, и при этом, видимо, не учитывались достаточно скромные ветровые ресурсы острова. Для обоснования такого рода проектов необходима в первую очередь оценка ветропотенциала (энергии воздушной струи и возможной выработки ВЭУ) на основе адекватных данных.
Описание климатических условий Соловецкого архипелага
Авторы располагали данными климатических справочников [4, 5], Атласа ветров России [6], базы данных NASA SSE [7], архивными климатическими данными с web-сайта «Расписание Погоды» [8], данными о ветровом режиме Белого моря [9], сведениями для мореплавателей из лоции Белого моря [10] и собственными метеонаблюдениями, выполненными в 2010-2011 гг. на мысу Белужьем острова Большой Соловецкий. В [4] из значимых для проведения расчета производительности ВЭУ имеются лишь средние месячные и годовые скорости ветра за период 1951-1965 гг. для метеостанции Соловки, расположенной в п. Соловецком1. Согласно этим данным, средняя годовая скорость на высоте 15 м составляет
1 На Большом Соловецком острове действует гидрометеорологическая станция Соловки, расположенная на берегу бухты Благополучия. Метеорологические наблюдения на Соловках были начаты в 1869 г. и проводились монахами Соловецкого монастыря [11]. Станция принадлежит Северному территориальному управлению по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды г. Архангельска. На станции осуществляются наблюдения за состоянием приземного слоя атмосферы и моря однотипными приборами в единые сроки. Результаты наблюдений используются в оперативной практике прогностических органов, подвергаются автоматизированной обработке на ПЭВМ с целью получения ежемесячников, ежегодников, климатических справочников.
4,8 м/с. В [5] и [6] приведены данные только по ближайшей метеостанции Кемь, расположенной в пос. Рабочеостровске (республика Карелия), расстояние от которой до пос. Соловецкого около 40 км по морю. Среднегодовая скорость ветра в Кеми составляет также примерно 4,8 м/с; при этом имеются данные о повторяемости скоростей ветра.
о -
12345 678 9 10 11 12
Рис. 1. Сравнение данных о среднемесячных скоростях ветра по данным NASA SSE и данным [4] для метеостанции Соловки Fig. 1. Comparison of average wind speeds data from NASA SSE database and from the Solovki meteorological station [4]
Для преодоления недостаточности данных в выбранной точке логично рассмотреть возможность использования данных NASA SSE. База метеорологических данных для возобновляемой энергетики NASA SSE [7] содержит обширные массивы расчетных данных (результаты математического моделирования и спутниковых наблюдений за период 19832005 гг.) на сетке 1°*1°. Ценность именно этого источника данных определяется тем, что в нем представлены не только среднемесячные и среднегодовые значения скорости ветра на различных высотах, но и повторяемость ветра. Однако необходимо провести верификацию данных NASA, тем более что в высоких широтах, как заявляется в методических материалах к NASA SSE, точность оценок падает. Ближайшая точка (ее координаты 65°30' с.ш., 35°30' в.д.) от пос. Соловецкого, имеющаяся в базе данных NASA, располагается в 54,4 км и дает для высоты 10 м среднегодовое значение скорости ветра, равное 3,81 м/с, что существенно ниже, чем вышеупомянутые результаты многолетних наземных измерений по Соловкам и Кеми (рис. 1). В то же время данные сайта «Расписание погоды», которые охватывают гораздо меньший временной промежуток (2005-2012 гг.), чем климатические справочники, но «ближе» по периоду измерений к данным NASA SSE (1983-2005 гг.), показывают гораздо более близкое совпадение с NASA соответствующих средних значений скоростей ветра (рис. 2). Аналогично имеется очень близкое совпадение данных для Кеми по NASA и сайту «Расписание погоды» (табл. 1).
5 J,5
13
1
0,5 0
1 3 5 7 9 11
Рис. 2. Сравнение данных о среднемесячных скоростях ветра по данным NASA SSE и данным сайта «Расписание Погоды» для метеостанции Соловки Fig. 2. Comparison of average wind speeds data from NASA SSE database and from website "Reliable Prognosis" for the Solovki meteorological station
Таблица 1
Результаты сравнения среднегодовых скоростей ветра (м / с) для метеостанций Кемь и Соловки по различным источникам данных
Table 1
The results of the average annual wind speed comparison (m/s) for the Kem and Solovki meteorological stations (on the basis of various data sources)
В то же время данные сайта «Расписание погоды», которые охватывают гораздо меньший временной промежуток (2005-2012 гг.), чем климатические справочники, но «ближе» по периоду измерений к данным NASA SSE, показывают гораздо более близкое совпадение (рис. 2) соответствующих средних значений скоростей ветра.
По-видимому, существенными для этого региона являются долгопериодные колебания ветровых характеристик, и, возможно, последние десятилетия характеризуются более слабой ветровой активностью. Это заставляет при уточненных оценках проводить дополнительный анализ адекватности используемых данных.
Поскольку важным является верификация данных NASA SSE по повторяемости, нами были обработаны данные2 сайта «Расписание Погоды» и построены
2 Измерения на метеостанции проводятся 8 раз в сутки: в 1, 4,
7, 10, 13, 16, 19 и 22 часа по местному времени. Период измерений 2005-2012 гг.
диаграммы повторяемости по трем источникам данных: NASA SSE (ближайшая к Соловкам точка), метеостанция Соловки (сайт «Расписание погоды»), данные по метеостанция Кемь [5] (рис. 3).
Из графика видно, что с учетом различных высот измерений (моделирования) данные по повторяемости метеостанций Соловки и Кемь находятся в объяснимом соответствии с данными NASA SSE. Это, а также результаты сравнения среднегодовых скоростей ветра по различным источникам позволило нам в дальнейших расчетах оперировать именно массивом данных NASA для оценок выработки энергии ВЭУ.
Относительная повторяемость, %
Относит. повторяемость, PN
* NASA -*- p 5. Соловки климатич. справочник, Кемь
V,__. --^sfcw*----- ..
Градации скорости ветра, м/с
Рис. 3. Сравнение данных о повторяемости скоростей ветра по данным NASA SSE (высота 50 м), сайта «Расписание
погоды» для метеостанции Соловки (высота 12 м) и многолетних климатических данных для метеостанции Кемь (высота около 10 м) Fig. 3. Comparison of monthly averaged wind speed frequency from NASA SSE database (50 m above the surface of the Earth), website "Reliable Prognosis" data for the Solovki meteorological station (12 m) and long-term climatic data for the Kem meteorological station (height is about 10 m)
Суммарная падающая радиация, дневные суммы, кВтч м !/сут б
Месяц года
Рис. 4. Сравнение данных о среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность по данным NASA SSE и многолетних климатических данных для станции Архангельск Fig. 4. Comparison of monthly averaged insolation incident on a horizontal surface from NASA SSE database and long-term climate data for the Arkhangelsk meteorological station
Метеостанция Справочник по климату СССР NASA SSE (1983-2005 гг.) Сайт «Расписание Погоды» (2005-2012 гг.)
Кемь 4,80 (1936-1981 гг.) 3,24 3,13
Соловки 4,68 (1951-1965 гг.) 3,81 3,11
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Для оценок потенциала солнечной энергии и, соответственно, возможной выработки электрической энергии фотоэлектрическими модулями нами также была проанализирована адекватность данных NASA SSE для выбранного района. Проводилось сопоставление данных NASA с данными многолетних акти-нометрических наблюдений на метеостанции Архангельск. Результаты среднемесячных значений сумм солнечной энергии представлены на рис. 4.
Из рис. 4 видно, что совпадение практически точное, что также позволяет обоснованно использовать в дальнейшем в расчетах актинометрические данные NASA SSE.
Методика расчетно-аналитических исследований
Расчет основывается на почасовых замерах нагрузки в летний и зимний режимные дни. Режимные дни для большинства ДЭС РФ представляют собой единственный источник информации, дающий представление о характере потребления электроэнергии, поэтому все дальнейшие расчеты будут базироваться на данных летнего и зимнего режимных дней.
Дизельное топливо для ДЭС завозится морским путем с материка. Некоторое представление о его стоимости с учетом транспортной составляющей может дать информация об одном из тендеров, проведенных в Архангельской области в 2009 г. [12]. Закупка, доставка на Соловки и хранение 8,13 тонн дизельного топлива оценивались в 260 тыс. руб. Анализ данных Архангельскстата (территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Архангельской области) по ценам на дизельное топливо на 2012 [13] и 2009 [14] годы дает основание говорить о росте цен на дизельное топливо на 33-35% за указанный период. Логично предположить, что и транспортная составляющая вырастает на ту же величину, то есть стоимость тонны дизельного топлива с учетом доставки и хранения достигнет 42,5 тыс. руб. В расчетах не учитывалась разница в цене и плотности летнего и зимнего дизельного топлива. Плотность взята усредненной, 0,85 кг/л.
Почасовое потребление дизельного топлива рассчитывалось на основе усредненных данных работы [15] по формуле (с учетом разных КПД дизельного двигателя и бензоагрегата, разных физических свойств бензина и дизельного топлива, а также того факта, что расход дизельного топлива на автономных ДЭС в среднем составляет 250-290 г/кВтч [16]):
F, л/кВт • ч = P(0,77 - 0,005к), (1)
где к - коэффициент использования мощности, %; P - почасовое энергопотребление.
Коэффициент использования мощности вычислялся как отношение P к номинальной мощности дизель-генераторной установки (ДГУ). В случае комбинации из нескольких параллельно работающих
ДГУ (кВт) для каждого часа подбирался агрегат, номинальная мощность которого наиболее близка к значению потребляемой мощности за данный час.
Среднее значение к в течение режимного дня рассчитывалось усреднением по времени (24 часа) данной величины. Суммарное потребление топлива в течение режимного дня рассчитывалось как сумма почасовых потреблений по всей продолжительности суток.
Выработка электроэнергии фотоэлектрическими модулями (ФЭМ) определялась с учетом усредненных значений прихода солнечной радиации на единицу ориентированной под определенным углом к горизонту поверхности в день. Передаваемая за сутки потребителю электроэнергия оценивается как
^ = ¿ЛмодЛп Код ^кт /10000, (2)
где Ь - приход солнечной радиации, кВт ч м-2/сут; Пмод - КПД ФЭМ, %; пп - КПД преобразователя (контроллера заряда или сетевого инвертора), %; Кмод - количество ФЭМ в составе установки; Бшт -активная поверхность единичного ФЭМ, м2.
Значение Ь определялось согласно [17, 18]. Угол наклона модулей к горизонту выбирался из условия обеспечения максимальной выработки электроэнергии в режимный день. Активная поверхность ФЭМ определяется геометрией и количеством входящих в его состав фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и представляет, по сути, сумму площадей всех ФЭП, входящих в ФЭМ. Кроме площади ФЭП общая поверхность модуля определяется зазорами между ними и обрамляющей ФЭМ рамкой. Эта площадь не вносит никакого вклада в выработку фотоэлектричества. Разница между активной и общей площадями невелика для единичного ФЭМ, но на крупных станциях, насчитывающих сотни ФЭМ, она будет весьма существенна.
£»т = кфэп^фэп/10000, (3)
где КФЭП - количество ФЭП в составе ФЭМ, £ФЭП -площадь одного ФЭП, см2.
Данные по КПД ФЭМ, площади ФЭП и их количеству в составе модуля определяются на основе заявляемых производителем ФЭМ характеристик.
Выработка электроэнергии ветроустановкой за сутки оценивается на основе данных по повторяемости наблюдаемых скоростей ветра и паспортных данных ВЭУ (развиваемая мощность при заданном диапазоне скоростей ветра) как
Ww = 24Е,(ю,Р1), (4)
где Pi - доля 1-го диапазона скоростей ветра в общем массиве наблюдений; ю - электрическая мощность ВЭУ, соответствующая данному диапазону скоростей. Суммирование осуществляется по всему диапазону наблюдаемых скоростей ветра.
В случае работы ДГУ на подключенную параллельно потребителю аккумуляторную батарею выра-
ботанная ДГУ энергия направляется потребителю (в объеме почасового потребления) и в аккумуляторную батарею (излишки) до тех пор, пока аккумуляторная батарея не будет полностью заряжена. После этого момента, если потребление энергии превосходило ее выработку ДГУ, то разница компенсировалась за счет аккумуляторной батареи. Случай полностью заряженной аккумуляторной батареи и превосходящей потребление выработки описывался снижением коэффициента использования установленной мощности и увеличением потребления топлива согласно формуле (1).
Первые оценки показали, что ФЭМ могут быть использованы только при расчетах по графику летнего режимного дня, а выработка энергии единичной ВЭУ достаточно мала, чтобы обеспечить отключение ДГУ хотя бы на час (рис. 5). Поэтому при расчете комбинированной выработки энергии каждым из видов ВИЭ и ДГУ рассматривался вариант сетевой установки с ВИЭ, когда выработанная ВИЭ энергия не запасается в аккумуляторах, а направляется потребителю через сетевой инвертор, опорное напряжение и частота сети для которого определяются генератором ДГУ. При оценках в рамках такой модели считалось, что выработка энергии ВЭУ распределена равномерно по всей протяженности режимного дня, а ФЭМ - по светлому времени суток.
Возможные пути оптимизации энергоснабжения Соловецкого архипелага
В настоящее время энергоснабжение потребителей архипелага осуществляется от Соловецкой ДЭС. Пиковая зимняя нагрузка по данным замеров режимного дня доходит до 1070 кВт. Летний пик почти в два раза меньше (рис. 4). Видно, что график нагрузки в зимнее время более плавный, нежели в летнее. Конечная цель данной работы заключалась в оценке технико-экономической привлекательности различных вариантов организации энергопитания данной островной территории.
1) Ветро-дизельная станция. Анализ ветрового потенциала показывает, что на полное вытеснение дизельного топлива с применением ветроустановки рассчитывать не приходится (рис. 5), поэтому рассматривается частичное использование ВЭУ фирмы Northern Power (NW-100) с высотой мачты 36 м [19] в дополнение к существующей ДЭС. Блок-схема такой установки дана на рис. 6, а. Схема работы ВЭУ на сеть, формируемую ДГУ и нагрузкой, не требует наличия автономного инвертора и аккумуляторов, что упрощает и удешевляет установку.
Рис. 5. Энергетический баланс режимных дней Fig. 5. The energy balance of mode days
Капитальные затраты для каждого варианта оценивались простым суммированием стоимости компонентов схем. При оценке годового и многолетнего энергобаланса с учетом климатических особенностей территории предполагается, что на 4 месяца распространяется график нагрузки летнего режимного дня, на остальные - зимнего. При оценке многолетних затрат на топливо инфляционная составляющая не учитывалась ввиду отсутствия надежных прогнозных данных.
Рис. 6. Блок-схемы энергоустановок Fig. 6. The block diagrams of power plants
2) Солнце-дизельная станция. Необходимо отметить, что в летнее время потенциал солнечной энергии на Соловках достаточно велик, при этом для увеличения выработки ФЭМ должны располагаться в горизонтальном положении. Учитывая потребление энергии, для того чтобы добиться дневной выработки, сопоставимой по порядку величины с потреб-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
лением энергии, необходима фотоэлектрическая станция, включающая в себя несколько тысяч ФЭМ площадью около 1,2 м2 каждый. При этом очевидно, что зимой эта станция будет полностью бесполезна -как из-за малой продолжительности светового дня, так и из-за снежного покрова на поверхности ФЭМ. Поэтому для минимизации расходов предлагается ограничиться меньшим числом модулей - для покрытия только части нагрузки и только в летний режимный день, что также позволит ограничиться сетевым инвертором и отказаться от аккумуляторов. Схема установки приведена на рис. 6, Ь.
3) Комбинация из нескольких ДГУ различной мощности. В [20] упоминалось, что снижение потребления дизельного топлива, выбросов от ДГУ и продление ресурса ДГУ может быть достигнуто за счет ее работы на нагрузке, близкой к номинальной. Рядом компаний для решения этой задачи в условиях сильно меняющейся нагрузки предлагается схема с параллельной работой нескольких ДГУ на одну нагрузку, когда один из агрегатов является ведущим (задает частоту сети), а остальные синхронизируются по этой частоте [21].
4) Комбинация из ДГУ и аккумуляторной батареи (АБ), включаемой параллельно потребителю. В такой схеме энергоемкость АБ подбирается таким образом, чтобы приблизить режим работы единичной ДГУ к номинальному - избытки генерируемой энергии направляются в АБ и недостатки восполняются из нее же. Блок-схема такого решения приведена на рис. 6, с. При этом необходимо учитывать ограничения по предельным токам заряда и разряда АБ, по предельной глубине разряда АБ и КПД преобразующих устройств. Допустимая мощность заряда и разряда батареи определяется так:
J max а
н/1000,
(5)
где а - безразмерный коэффициент, равный отношению предельного тока к энергоемкости единичного аккумулятора, выраженной в Ач; Ысгц - количество аккумуляторов в батарее, соединенных последовательно; Паин - КПД автономного инвертора-зарядного устройства, %. Запасенная в АКБ энергия определяется по формуле
Гакб = Ц,2СШЩЦ,'пшш-100000),
(6)
где из - напряжение заряда аккумуляторной батареи, В; ир - напряжение разряда аккумуляторной батареи, В; БОБ - глубина разряда аккумуляторов, %; С -энергоемкость аккумулятора, А ч; паин - КПД автономного инвертора-зарядного устройства, %.
Результаты расчетов и их обсуждение
Результаты оптимизации энергобаланса для различных сочетаний первичных и вторичных источников энергии, описанных ранее, приведены в табл. 2-5.
Из таблиц видно, что солнце и ветер не вносят существенного вклада в выработку энергии - их выработка существенно меньше потребления. Тем не менее, в некоторых сочетаниях с ДГУ различной мощности они способны как незначительно улучшить технико-экономические показатели работы электростанции, так и ухудшить их - в том случае, если выработка слишком мала, чтобы вывести из действия одну из ДГУ, но достаточно велика, чтобы ощутимо уменьшить коэффициент использования мощности работающих ДГУ. Как и ожидалось, даже три ВЭУ не смогли существенно изменить энергетический баланс, в то время как применение большого количества ФЭМ (720 кВтч) без оптимизации состава работающих параллельно ДГУ обеспечило рекордное среди рассматриваемых вариантов повышение потребление топлива и, соответственно, ухудшение технико-экономических показателей.
Комбинированная выработка энергии ВЭУ и ДГУ The combined power generation by wind power plant and diesel generator set
Таблица 2 Table 2
Параметр Состав установки
2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт 2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт + + ВЭУ 100 кВт 2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт + 3 ВЭУ 100 кВт
Средний расход топлива за год, т 1875 1886 1892
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в летнее время 0,88 0,86 0,89
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в зимнее время 0,91 0,91 0,9
Капитальные и эксплуатационные затраты за 15 лет, тыс. руб. 1203320 1225260 1259260
Таблица 3
Комбинированная выработка энергии ФЭМ и ДГУ
Table 3
The combined power generation by PV modules and diesel generator set
Параметр Состав установки
2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт + 720 кВт ФЭМ (пик) 2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт + 360 кВт ФЭМ (пик) 2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт + 180 кВт ФЭМ (пик) 2x1 ДГУ 640 кВт + 720 кВт ФЭМ (пик) 2x2 ДГУ 504 кВт, 1x1 ДГУ 400 кВт + 360 кВт ФЭМ (пик)
Средний расход топлива за год, т 1917 1902 1900 2292 1921
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в летнее время 0,82 0,83 0,84 0,63 0,8
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в зимнее время 0,91 0,91 0,91 0,82 0,91
Капитальные и эксплуатационные затраты за 15 лет, тыс. руб. 1313870 1261570 1241085 1554350 1276142
Таблица 4
Комбинированная выработка энергии ДГУ различной мощности
Table 4
The combined power generation by diesel generator sets of various capacities
Параметр Состав установки
1x1 ДГУ 1200 кВт 2x1 ДГУ 640 кВт 2x2 ДГУ 200 кВт, 2x2 ДГУ 400 кВт 1x1 ДГУ 728 кВт, 1x1 ДГУ 504 кВт
Средний расход топлива за год, т 2263 2215 1875 2083
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в летнее время 0,47 0,75 0,88 0,81
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в зимнее время 0,89 0,82 0,91 0,85
Капитальные и эксплуатационные затраты за 15 лет, тыс. руб. 1453041 1422119 1203320 1275305
Таблица 5
Выработка энергии ДГУ с буферной АКБ
Table 5
The power generation by diesel generator set with a buffer battery pack
Состав установки
Параметр 2x1 ДГУ 640 кВт + + АКБ 840 кВтч 1x1 ДГУ 570 кВт + + 1x1 ДГУ 1000 кВт + + АКБ 720 кВтч 2x1 ДГУ 640 кВт + АКБ 840 кВтч
СКА* ЛИА** СКА ЛИА СКА ЛИА
Средний расход топлива за год, т 2096 2096 1553 1553 2083 2083
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в летнее время 0,94 0,94 1 1 0,91 0,91
Средний коэффициент использования мощности ДГУ в зимнее время 0,82 0,82 1 1 0,83 0,83
Капитальные и эксплуатационные затраты за 15 лет, тыс. руб. 1370484 1374685 1022481 1028421 1355786 1357536
* - свинцово-кислотные аккумуляторы; ** - литий-ионные аккумуляторы.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Такой сценарий оказался даже хуже, чем использование одиночной ДГУ большой мощности, работающей в летние месяцы явно не в оптимальном режиме. Использование в системе аккумуляторов могло бы улучшить ситуацию за счет накопления сгенерированной ВИЭ энергии и «выброса» ее в пиковые моменты. Это перспективное направление будет развито в дальнейших исследованиях, однако в рамках настоящей работы предполагается, что добавление сразу двух дорогостоящих компонентов (и АКБ, и ВЭУ или ФЭМ) может существенно ухудшить экономику электростанции. Заканчивая рассмотрение результатов по применению ВИЭ, следует отметить, что они все-таки позволяют снизить затраты на энергоснабжение при сравнении с некоторыми комбинациями ДГУ.
Наиболее дешевым способом оптимизации генерации (учитывая стоимость установленной мощности ФЭМ, ВЭУ и ДГУ) является параллельное включение двух ДГУ мощностью 400 кВт и двух - 200 кВт. Работая попеременно и увеличивая выдачу мощности в зимнее время, они позволяют достигнуть достаточно высоких значений коэффициента использования мощности. Однако такой режим работы сопряжен с частым остановом наименее мощных изделий, мощностью 200 кВт, что может привести к существенному снижению их ресурса. График нагрузки для зимнего режимного дня достаточно гладкий, поэтому все меры по оптимизации зимнего потребления (кроме применения АКБ) существенных результатов не дают.
Стремительное улучшение параметров современных аккумуляторов, появление свинцово-кислотных аккумуляторов (СКА) «буферных» серий, оптимизированных для глубоких циклов заряда-разряда при работе с ВИЭ, а также относительно дешевых и безопасных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) с катодом на основе литированного фосфата железа позволяют рассмотреть вариант оптимизации генерации сглаживанием пиков и спадов потребления за счет применения аккумуляторной батареи большой мощности [22]. Учитывая разницу в стоимости и допустимой глубине разряда, рассматривались как ЛИА, так и СКА. При этом предполагалось, что в данных временных горизонтах (15 лет) ни одна из рассматриваемых систем не успеет исчерпать ресурс.
Результаты показывают, что именно применение АКБ позволяет добиться максимального снижения потребления топлива в данных климатических условиях и существующем графике нагрузки. Однако при этом важно, чтобы вместе с АКБ на электростанции монтировалась ДГУ, мощность которой близка к средней по времени потребляемой в течение режимного дня мощности, а энергоемкость самой АКБ приближалась к интегралу избыточной (недостаточной) мощности по всему режимному дню (рис. 7). Остальные варианты существенной экономии топлива не обеспечивают.
Мощность, кВт
800 т-
Нагрузка летнего режимного дня
У/ Заряд АКБ ? V \ Разряд АКБ
Рис. 7. Временные зависимости для гибридной э нергоустановки «ДГУ+АКБ» оптимального состава Fig. 7. Time dependence of the hybrid power plant "diesel generator set + battery pack" in the optimal composition
Интересным также представляется комбинирование АКБ или ДГУ с малой ГЭС, наподобие работавшей на острове ранее, однако рассмотреть все варианты в рамках данной статьи не представляется возможным.
Заключение.
Выводы и рекомендации
В данной работе рассматривались различные варианты оптимизации энергетического баланса изолированной островной территории на примере Соловецкого архипелага с учетом как потенциала солнечной и ветровой энергии, так и графиков нагрузки летнего и зимнего режимных дней. Проведенный нами анализ климатических данных показал неперспективность строительства ВЭУ большой мощности на острове Большом Соловецком, а различные схемы включения в локальную сеть малых ВЭУ требуют адекватного учета ветроэнергетического потенциала и особенностей величины и годового распределения нагрузки.
Показано, что имеющегося потенциала ВИЭ, по крайней мере, при малом проникновении энергии ВИЭ в систему (без использования АКБ) и привлечения гидроресурсов, явно недостаточно для существенного изменения в энергобалансе острова. Тем не менее, при использовании параллельной работы нескольких ДГУ различной установленной мощности (что само по себе является относительно дешевым способом оптимизации генерации), ВИЭ способны незначительно снизить уровень потребления органического топлива и, соответственно, уменьшить выбросы вредных веществ и расходы на энергообеспечение. Комбинация малой мощности ВИЭ с единичными ДГУ большой мощности в отсутствие буферной АКБ только ухудшает ситуацию за счет
снижения коэффициента использования мощности ДГУ. Наилучшим вариантом оптимизации генерации в данных условиях представляется комбинация ДГУ и АКБ большой энергоемкости при том условии, что установленная мощность ДГУ снижается до средней по режимному дню, а энергоемкость АКБ позволяет полностью компенсировать как пики, так и спады потребления. При существующих ценах на различные типы аккумуляторов и малых временных горизонтах моделирования работы системы СКА допускают большую экономию средств, нежели ЛИА, однако задача увеличения установленного срока службы установки и дальнейшее снижение цен на ЛИА вполне могут обеспечить конкурентоспособность последних уже в недалеком будущем.
Несомненно, что корректный учет фактора роста цен на органическое топливо за счет инфляционных процессов увеличит конкурентоспособность всех способов оптимизации генерации и снизит сроки окупаемости дополнительного оборудования, в том числе и использующего ВИЭ.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ГУП «АрхоблЭнерго» А.Н. Дружинину и В.Б. Сопи-лову за помощь в сборе исходных данных.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № 14.74011.0096.
Список литературы
1. Сайт Информационного агентства «Двина-Информ» www.dvinainform.ru.
2. Vanadium Redox Flow Batteries: An In-Depth Analysis. 1014836. Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA: 2007.
3. Сайт федеральной службы государственной статистики www.gks.ru.
4. Справочник по климату СССР. Выпуск 1. Архангельская обл. Часть IV. Том I, II. Ветер. Под ред. Егоровой А.С. Архангельск: Гидрометеоиздат, 1975.
5. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Вып. 1. Архангельская и Вологодская области, Коми СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.
6. Старков А.Н., Ландберг Л., Безруких П.П., Бо-рисенко М.М. Атлас ветров России. М.: Изд. «Мо-жайск-Терра», 2000.
7. NASA Surface meteorology and Solar Energy a renewable energy resource web site (release 6.0) www.eosweb.larc.nasa.gov/sse.
8. Сайт «Расписание Погоды» www.rp5.ru.
9. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том 2. Белое море. Вып. 2. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биопродуктивности. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
10. Лоция Белого моря. Откорректирована по извещениям мореплавателям Гидрографической службы Краснознаменного Северного флота. Ч. II, вып. 12 от 10 сентября 1993 г.
11. Сайт Федерального государственного бюджетного учреждения «Северное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» www.sevmeteo.ru.
12. Портал о тендерах, поставках, конкурсных торгах и государственных закупках www.i-tenders.ru.
13. Сайт деловой газеты Архангельской области «Бизнес-класс» www.bclass.ru.
14. Городской портал г. Архангельска www.myarh.ru.
15. Большаков К.Г., Голин Ю.Л., Кондратьев Д.Г., Матренин В.И., Овчинников А.Т., Поспелов Б.С., Соловьев Г.С., Стихин А.С., Тихонов В.Н., Щипанов И. В. Энергоустановка на водородно-воздушных топливных элементах для электромобиля // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2005. Вып. 4 (24). С. 52-57.
16. Лукутин В.Б. Возобновляемые источники электроэнергии. Учебное пособие. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008.
17. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коло-миец Ю. Г. Климатические данные для возобновляемой энергетики России (база климатических данных). Учебное пособие. М.: ОИВТ РАН, географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010.
18. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: ОИВТ РАН, 2010.
19. Сайт компании Northern Power Systems www.northernpower.com.
20. Матиевский Г.Д., Кулманаков С.П. Анализ показателей работы дизеля по характеристике постоянной мощности // Ползуновский вестник. 2010. Вып. 1. С. 13-20.
21. Сайт компании «Форте» www.forte.ru.
22. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Современные виды электрохимических накопителей электрической энергии и их применение в автономной и централизованной энергетике // Теплоэнергетика. 2011. Вып. 11. С. 2-11.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
