перевод. Технологии альтернативной энергетики. Современное состояние и перспективы развития
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 ТЕХНОЛОГИИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 1.1 Альтернативные источники энергии и их доля в общем производстве электроэнергии 1.2 Использование энергии ветра для генерации электроэнергии 1.3 Электростанции на солнечных батареях 1.4 Малая гидроэнергетика 1.5 Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии 1.6 Основные задачи исследования 38 2 ОЦЕНКА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ТОЧКИ МЕСТНОСТИ 40 2.1 Исследование потенциала энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока территории электрогенерирующего комплекса 2.2 Экспериментальное исследование валового энергетического потенциала географической точки местности 2.3 Автоматизация процесса сбора, обработки и оценки информации об возобновляемых энергетических ресурсах заданной территории 2.4 Выводы 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИЙ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.... 63 3.1 Баланс мощностей в системе автономного электроснабжения предприятий 3.2 Моделирование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе нескольких источников энергии 3.3 Анализ влияния параметров электрогенерирующих установок на их мощность 3.4 Оптимизация структуры и параметров электрогенерирующих комплексов 3.5 Оптимизация режимов работы систем автономного электроснабжения предприятий 3.6 Выводы 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ 4.1 Программный комплекс имитационного моделирования и оптимизации системы автономного электроснабжения предприятий 4.2 Исследование и оптимизация электрогенерирующих комплексов, построенных на базе одного источника энергии 4.2.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ 4.2.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ФЭП 4.2.3 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе МГЭС 4.3 Исследование эффекта смещение графика потребления электроэнергии и использования генерирующих комплексов при недостаточном количестве энергетических ресурсов 4.4 Оптимизация структуры и исследование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе нескольких источников энергии 4.4.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП 4.4.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП и МГЭС 4.5 Выводы ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. Потенциал возобновляемых источников энергии России составляет миллиарды тонн условного топлива в год и значительно превышает объём всех потребляемых в настоящее время топливно-энергетических ресурсов. Его рациональное использование, в соответствии с энергетической стратегией развития России до 2030 года, позволит решить целый ряд проблем, связанных с экологически небезопасными процессами переработки углеродного топлива и его сбережением, снижением затрат на транспортировку топлива в территориально удаленные районы и повышением уровня энергетической надёжности этих районов. Учитывая, что около 70% территории страны, в числе которых и промышленно развитые районы, расположены вне централизованных электрических сетей, применение альтернативных источников для производства электроэнергии - дополнительный стимул к развитию промышленности, обеспечению занятости и повышению уровня жизни населения, а в конечном итоге, укрепление экономики России. Таким образом, задача обоснования целесообразности создания на заданной территории электрогенерирующих комплексов, преобразующих энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока, безусловно актуальна, а научная и практическая значимость вопросов, связанных с разработкой методик расчёта их параметров, не вызывает сомнений. Целью исследования является разработка технологии синтеза структуры и расчёта оптимальных параметров электрогенерирующего комплекса (ЭК), построенного на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ), солнечных фотоэлектрических панелей (ФЭП) и малых гидроэлектростанций (МГЭС), расположенного в заданной географической точке местности и предназначенного для электроснабжения предприятий ограниченной мощности (П), анализ его работоспособности в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: - разработана методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС; - разработана математическая модель электроснабжения в системе, включающей ветроэнергетические, солнечные фотоэлектрические установки, малые ГЭС и потребителя; - создана технология имитационного моделирования и соответствующее программное обеспечение работы системы «Электрогенерирующий комплекс на базе альтернативных источников энергии - предприятие ограниченной мощности» (ЭК-П); - разработана методика расчёта структуры и оптимальных параметров систем альтернативной энергетики, построенных на базе ветроэнергетических, солнечных фотоэлектрических установок, малых ГЭС и её компьютерная реализация. Методология и методы исследования. Объект исследования - система автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности, удалённых от существующей энергосети. Предмет исследования - способы электроснабжения с использованием технологий альтернативной энергетики. При выполнении работы использовались результаты анализа и обобщения данных, приведённых в научно-технической литературе, методы экспериментальных исследований энергетического потенциала заданной точки местности. Теоретические исследования проводились на основе методов расчёта систем энергоснабжения, расчёта технико-экономических показателей энергетических установок, математического анализа и теории оптимизации. При разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированных технологий в среде Microsoft Visual Studio 2010. Научная новизна. В результате проведённых исследований получены следующие новые научные результаты: - создана новая методика определения параметров возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, имеющего потенциальную возможность быть преобразованным в электрическую энергию посредством технологий альтернативной энергетики, отличающаяся тем, что в ней применена предложенная автором система корректирующих коэффициентов, учитывающих особенности территории размещения генерирующих мощностей; - разработана новая математическая модель и на её основе создана имитационная модель, позволяющая, в отличие от известных разработок, исследовать электрогенерирующие комплексы, структура которых, помимо устройств аккумулирования и рассеяния энергии, включает три типа генерирующих устройств: ВЭУ,ФЭП и МГЭС; - разработана методика расчёта электрогенерирующего комплекса, отличающаяся возможностью поиска оптимальных значений, определяющих его структуру и конструкционные параметры из условий минимальной стоимости или максимальной мощности. Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что в результате проведённых исследований: - создана методика, позволяющая выполнить количественную оценку возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, доступного для преобразования в электрическую энергию; - разработана технология исследования системы ЭК-П, основанная на методах математического моделирования, позволяющая оценить её работоспособность в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях; - создан программный продукт для ЭВМ, позволяющий решать задачи, связанные с имитационным моделированием энергетических процессов в системе ЭК-П, оптимизацией её структуры и параметров. Положения, выносимые на защиту: - методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, рас положенной в окрестности этой точки; - математическая, имитационная модели и методика исследования на их основе системы ЭК-П; - методика расчёта оптимальных структуры и конструкционных параметров электрогенерирующего комплекса. 1 ТЕХНОЛОГИИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 1.1 Альтернативные источники энергии и их доля в общем производстве электроэнергии Истощение дешёвых запасов углеводородного сырья и их неравномерное распространение, а также пагубные экологические последствия его сжигания, напрямую связанные с энергетической безопасностью, вынуждают многие страны мира планировать сокращение абсолютного потребления энергии, получаемой за счёт ископаемого углеродного топлива [1, 2]. В связи с этим в современном мире начали формироваться тенденции перехода к новой низкоуглеродистой энергетике, одной из важнейших составляющих которой является использование альтернативных источников энергии (АИЭ). Известна и более радикальная, но вполне обоснованная, позиция. Так, по мнению авторов работ [3, 4] мир в настоящее время стоит на пороге энергетической революции, содержанием которой будет переход от индустриальной к постиндустриальной энергетике. Индустриальная фаза энергетики - это крупные централизованные источники энергии на ископаемом топливе с ориентацией на валовой поток энергии. Суть постиндустриальной фазы - децентрализованные источники энергии с ориентацией на использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и оптимальное управление потоками энергии. Результаты анализа статистических данных [5-10], выполненного автором, позволяют говорить о росте мировых инвестиций в ВИЭ. Так, если в 2008 году они составили 140 миллиардов долларов, то в 2009, 2010 и 2011 годах, соответственно, - 160, 211 и 260 миллиардов долларов. С ростом вложений в альтернативную энергетику наблюдается устойчивое увеличение электроэнергии вырабатываемой электростанциями, работающими на возобновляемых энергетических ресурсах. На рисунке 1.1 представлена информация о количественном и качественном изменении вводимых в эксплуатацию электроэнергетических мощностей, генерируемых различными типами электростанций ЕС. Данные, приведённые на рисунке 1.2, свидетельствуют об устойчивой тенденции к повышению в странах ЕС роли ВИЭ и постепенной ликвидации электростанций, работающих на ископаемом углеродном топливе. Энергетической стратегией России на период до 2030 года [1] определены основные цели использования ВИЭ. Среди которых: - снижение темпов роста антропогенной нагрузки на окружающую среду и противодействие изменению климатическим изменениям при необходимости удовлетворения растущего потребления энергии; - рациональное использование и снижение темпов роста потребления имеющихся ресурсов ископаемого топлива в условиях неизбежного истощения его запасов; - сохранение здоровья населения и качества жизни путём снижения темпов роста загрязнения окружающей среды при использовании ископаемого топлива, снижение общегосударственных расходов на здравоохранение; - снижение темпов роста затрат на распределение и транспортировку электрической энергии и топлива и возникающих при этом потерь; - вовлечение в топливно-энергетический баланс дополнительных топливно- энергетических ресурсов; - повышение уровня энергетической безопасности и надёжности энергоснабжения за счёт увеличения уровня его децентрализации. В соответствии с Основными направлениями государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года [15], целевым ориентиром на указанный период является увеличение относительного объёма производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт) с примерно 0,5% до 4,5%. Для достижения намеченных объёмов производства электроэнергии на базе ВИЭ необходимо в указанный период обеспечить ввод генерирующих объектов (малых ГЭС, ветроэлектрических станций, приливных электростанций, геотермальных электростанций, электростанций, использующих биомассу в качестве одного из топлив, прочих видов электроустановок) с суммарной установленной мощностью до 25 ГВт. Темпы освоения ВИЭ в России, заметно отстают от мировых. Так в мире за счёт новых электростанций, использующих первичные источники, было дополнительно получено электроэнергии: - в 2009 году 25,96 ГВт, Европе - 15,9 ГВт; - в 2010 году 52,82 ГВт, Европе - 22,47 ГВт; - в 2011 году 44,94 ГВт, Европе - 32,04 ГВт. Показатели развития генерации электроэнергии на основе ВИЭ по данным крупнейшей российской энергетической компании ОАО «РусГидро» представлены на рисунке 1.3. Прогноз количества электроэнергии, вырабатываемой за счёт некоторых видов ВИЭ, приведён в таблице 1.2. Таблица 1.2 - Прогноз количества электроэнергии, вырабатываемой за счёт некоторых видов возобновляемых источников энергии Рисунок 1.3 - Мощность электростанций на основе ВИЭ в России В настоящее время Россия, к сожалению, существенно отстаёт по всем направлениям использования источников альтернативной энергии. Вклад нетрадиционных источников энергии в энергобаланс страны - 2,25 ГВт, что составляет меньше 1% [11, 16 - 19], в то время как в мире в 2011 году электростанциями, работающими на базе ВИЭ, было произведено 390 ГВт электроэнергии [20]. Принимая во внимание современные масштабы добычи органического топлива, развитую централизованную систему электроснабжения, вряд ли следует ожидать, что нетрадиционные источники энергии смогут в ближайшем будущем составить серьёзную конкуренцию источникам традиционным. Однако, учитывая, что: - централизованные системы энергообеспечения страны охватывают только около 30% её территории, и около 20 миллионов человек в стране проживают вне этой системы [3, 11, 12, 16], в том числе и в промышленно развитых районах России; - около 50% регионов страны испытывают дефицит энергии и нуждаются в завозе топлива, а также требования к экологической безопасности, особенно в местах массового отдыха населения, развитие альтернативной энергетики, - задача далеко не второго плана, требующая реализации политики стимулирования ВИЭ на основе комплекса мер, установленных в законодательном порядке [15, 19, 21]. Таким образом, подводя итоги развития альтернативной энергетики в мире и России, можно сделать следующие выводы: - учитывая такие факторы, как исчерпание доступных запасов углеводородов с одной стороны и освоение новых энергетических технологий с другой, можно с уверенностью говорить о перспективах развития производства электроэнергии, основанного на использовании альтернативных видах топлива; - наиболее интенсивно развивающимися направлениями являются использование энергии ветра, воды (в первую очередь малых ГЭС) и биомассы. Успехи последних лет в сфере теории и технологии производства солнечных батарей позволяют не только добавить в этот ряд фотоэлектрические станции, но и вывести их в число лидеров; - применение источников альтернативной энергии, на данный момент времени, возможно, более дорогих, по сравнению с традиционными, может оказаться вне конкуренции по экологическим причинами, социальным или в качестве резервных, например, при особых требованиях к энергобезопасности объектов электроснабжения; - успешное и интенсивное развитие альтернативной энергетики предполагает наличие не только политической воли руководства страны [2, 15, 19, 21], создания благоприятных экономических условий, но и инвестиций в науку, образование, новые технологии, производство и обслуживание соответствующих средств генерации энергии. 1.2 Использование энергии ветра для генерации электроэнергии Способ использования энергии ветра для генерации электроэнергии, как показали исследования, выполненные в разделе 1.1, является в настоящее время одним из наиболее перспективных. Суммарная мощность ветроэнергетических станций (ВЭС) постоянно растёт (рисунки 1.1 - 1.3), растёт и доля электроэнергии, получаемая с их помощью [22 - 24]. Мощность всех установленных в мире к концу 2011 года ВЭС составляет 238 ГВт. С их помощью вырабатывается 2,5% электроэнергии. Естественно, что с каждым годом увеличиваются объёмы производства ветроэнергетических установок, повышается надёжность, улучшаются эксплуатационные характеристики, снижается их стоимость. Начало теории ветряного двигателя восходит к середине 19-го века [25] и связано с именами шотландского инженера У. Д. М. Ренкина [26], английского инженера У. Фруда [27, 28]. В первой половине 20-го века исследования были продолжены английским инженером Ф. Ланчестером [29], немецкими учёными А. Бетцем [30] и Л. Прандтлем [31] и русскими учёными Н. Е. Жуковским [32], Г. X. Сабининым, Н.В. Красовским, А.Г. Уфимцевым, В.П. Ветчинкиным, Е.М. Фатеевым [32 - 37] и многими другими. В настоящее время исследованиям в области ветроэнергетики посвящены многочисленные научные работы учёных России, Украины, Белоруссии [38 - 54], в числе которых особое место занимают разработки П.П. Безрукова [11 - 13, 43], В.Г. Николаева [44], Воронина СМ. [45] и некоторых других. Деятельность более 30 научных организаций России [43] связана с возобновляемыми источниками энергии, а такие предприятия, как ООО "Ветро Свет", ООО "СКБ Искра", ООО "ГРЦ-Вертикаль", ООО "Сапсан-Энергия", ЗАО "Ветроэнергетическая компания", "ЛМВ Ветроэнергетика", ЗАО "Агрегат-Привод", НПП "Энерго-Экологические Системы", Возобновляемые источники энергии RKraft, ООО "ЕвроСтандартСервис", ООО "Стройинжсервис", являются непосредственно производителям ветроэнергетических установок. 18 Анализ литературных источников позволяет определить следующие основные направления исследований в области ветроэнергетики: - расчёт мощности ветра в зависимости от его скорости, высоты и профиля местности; - определение скорости ветра в зависимости от географического положения ВЭУ; - конструкции и особенности ВЭУ; - экономическая эффективность. Формула для расчёта мощности ветродвигателя (Вт), включающего в себя ветроколесо, редуктор и генератор, имеет вид [30, 37 - 42], [52 - 54]: Р = 0.5р.5 С л , (1.1) где р - плотность воздуха, кг/м ; S - площадь ометаемая ветроколесом, м ; С - коэффициент использования мощности (определяется конструкцией вет); г| , г| - коэффициенты полезного действия генератора и редуктора. Для определения энергетической характеристики стационарного ветрового потока (удельная мощность, Вт/м ) используют следующее выражение: Р =0.5рУ . (1.2) Удельная мощность ветрового потока (1.2) в отличие от мощности ветродвигателя (1.1) не зависит от способа преобразования энергии ветра. Её значение определяется только скоростью ветра и плотностью воздуха, то есть географическим положением и высотой установки ветродвигателя. В выражениях (1.1) и (1.2) скорость ветра, даже в заданной точке местности, - величина случайная. Её расчёт осуществляется путём создания вероятностного описания случайного процесса изменения скорости ветра на заданном интервале времени посредством разбиения его на временные отрезки, в пределах которых скорость ветра можно считать постоянной [43, 45]. Измерение скорости ветра на данной территории постоянно осуществляется на метеостанциях. Однако чисто механический перенос измеренных на метеостанции значений в заданную точку местности, в которой расположена эта метеостанция нельзя считать правомерным, так как результат измерений зависит от рельефных и ландшафтных характеристик местности и высоты измерений [56]. Связь между приведённой к конкретной местности и измеренной на метеостанции скоростью ветра определяется соотношением: V = ° у где Ко - коэффициент открытости по классификации Милевского; Кф - коэффициент учитьшающий фактическую открытость местности [43,57,58]. Зависимость скорости от высоты определяется известным соотношением (и Vj = Vc |