№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 620.97.001.53
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАННОГО ОТ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ
© 2014 г. ИВАНОВА И.Ю., ТУГУЗОВА Т.Ф., ХАЛГАЕВА Н.А.
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск e-mail: nord@isem.sei.irk.ru
Постановка задачи обусловлена необходимостью учета при оценке эффективности возобновляемых источников энергии фактора несовпадения графиков потребления энергии изолированным от энергосистемы потребителем и ее выработки таким энергоисточником. Приводятся методика определения оптимальной мощности возобновляемого энергоисточника, основные расчетные формулы, критерий оптимальности.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, оптимальная мощность, график потребления, полезная выработка энергии, объем и стоимость вытесненного топлива, капиталовложения.
DETERMINATION OF OPTIMAL CAPACITY OF RENEWABLE ENERGY SOURCE FOR ISOLATED CONSUMER
Ivanova I.Y., Tiguzova T.F., Khalgaeva N.A.
Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, Irkutsk e-mail: nord@isem.sei.irk.ru
The problem statement is conditioned by the need to consider a mismatch between power consumption by isolated consumers and its generation by renewable energy sources during their efficiency assessment. The paper presents a technique for the determination of optimal capacity of renewable energy source, the main equations for calculations, and opti-mality criterion.
Key words: renewable energy sources, optimal capacity, load curve, useful energy, volume and cost of displaced fuel, capital investment.
Введение. Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мире становится все более актуальным. В последнее время в России этим энергоисточникам стали уделять довольно большое внимание. Одним из мест приоритетного размещения возобновляемых источников энергии являются потребители с небольшими энергетическими нагрузками (до 20—25 МВт), изолированные от энергосистем, это обусловлено использованием у них в качестве энергоисточников автономных электростанций
Анализ ресурсной обеспеченности территории региона
Региональный уровень
Определение условий конкурентоспособности применения ВИЭ на территории региона
Многофакторный анализ состояния энергоснабжения и результатов исследований на региональном уровне
Определение оптимальной мощности ВИЭ
Локальный уровень
Оценка финансово-экономической эффективности проектов сооружения ВИЭ
Рис. 1. Общая схема проведения исследований по обоснованию применения возобновляемых источников энергии
(ДЭС) и мелких котельных, работающих на привозном топливе. Рассредоточенность по территории, слабое развитие транспортной инфраструктуры, многозвенность и сезонность завоза топлива приводят к значительному увеличению его стоимости у потребителя. В наиболее удаленных населенных пунктах транспортная составляющая стоимости топлива достигает 70—80%. Эти факторы, а также значительный износ оборудования, являются причиной высокой себестоимости производства энергии, что, в свою очередь, требует выделения ежегодных дотаций на выравнивание тарифов из бюджетов различных уровней. Применение возобновляемых источников энергии дает возможность уменьшить объемы завозимого топлива и сократить объем бюджетных дотаций.
В ИСЭМ СО РАН разработан двухуровневый метод обоснования применения возобновляемых источников энергии в рамках исследований вариантов развития энергоснабжения изолированных от энергосистем потребителей при разработке региональных энергетических программ [1]. Общая схема проведения исследований представлена на рис. 1.
На региональном уровне определяются условия конкурентоспособности использования ВИЭ на территории региона, исходя из величины потенциала возобновляемых природных энергоресурсов (ВПЭР) и ценовых показателей [2]. Этому предшествует анализ параметров плотности солнечного излучения, гидрологических характеристик рек, вероятностей повторения различных скоростей ветра для оценки технической возможности применения на территории данного региона малых ГЭС, ветро- и гелиоустановок.
Для проведения исследований используется система имитационных моделей, общий принцип формирования которых заключается в определении границ конкурентоспособности возобновляемых источников [3]. Из условия равенства суммарных дисконтированных затрат традиционного варианта энергоснабжения и варианта с возобновляемым источником выводятся расчетные зависимости граничных значений капиталовложений в ВИЭ от изменения цены органического топлива. Для получения линии равноэкономичности двух вариантов значения цены топлива задаются в диапазоне, характерном для рассматриваемого региона. Эти линии на выходных номограммах делят область изменения показателей на зоны целесообразного применения того или иного варианта энергоснабжения [3].
Актуальность развития методологического подхода
тыс. кВт ■ ч
800 -
700
Э 600-
тах 500
400 300 200
100
нл л л л раааа ^ю ю ю ю
¡энном
Рис. 2. Графики потребления электроэнергии (4) и ее выработки ВЭС различной мощности (1, 2, 3)
3
Э"
тш
0
На локальном уровне оценивается экономическая эффективность конкретных проектов сооружения ВИЭ, целесообразность которых обоснована многофакторным анализом состояния энергоснабжения и результатов исследований на региональном уровне. Для этого используются производственно-финансовые модели, в основу которых положена общепризнанная методика оценки инвестиционных проектов. Поскольку использование возобновляемых источников энергии позволяет сократить объемы поставок топлива по сравнению с традиционным вариантом и снизить объем ежегодных бюджетных дотаций на содержание энергоисточников, оценивается бюджетная эффективность проектов, основным показателем которой выступают кумулятивные дотации из бюджета за срок эксплуатации объекта [1].
Данный метод апробирован при разработке региональных энергопрограмм Иркутской, Магаданской, Амурской, Сахалинской обл., Хабаровского края, Чукотского автономного округа, республик Бурятия и Саха (Якутия), что позволило определить рациональные масштабы применения возобновляемых источников энергии в восточных регионах России [4, 5].
В ходе исследований возникала проблема выбора мощности ВИЭ для изолированных от энергосистем потребителей, поскольку установленная мощность автономных энергоисточников по условиям резервирования превышает максимум нагрузки потребителя в два-три раза. Дублирование этой мощности возобновляемым источником энергии приводит к завышению капиталовложений в него.
В связи с изолированностью потребителей от энергосистемы и вероятностным характером проявления в течение года показателей потенциала возобновляемых природных энергоресурсов возникает проблема несовпадения графиков потребления энергии и ее производства ВИЭ. Этот фактор усугубляется преобладанием у изолированных потребителей коммунально-бытовых нагрузок, что обуславливает ярко выраженный зимний максимум годового графика потребления энергии.
Максимум значений показателей потенциала различных видов возобновляемых природных энергоресурсов наблюдается в разные периоды года. Так, максимальные значения скорости ветра характерны для осеннего и весеннего периодов, хотя в отдельных районах максимум ветровой энергии приходится на другой временной отрезок, например, на Курильских островах Сахалинской обл. — зимний период, в северных районах Республики Саха (Якутия) — летний. Годовой график расходов воды малых рек повсеместно имеет весенний максимум за счет паводков и значительное снижение (до десятков раз) в зимние месяцы. Максимальные значения прихода солнечной радиации наблюдаются в летний период.
Несовпадение максимумов потребления и выработки энергии возобновляемым источником вызывает существенное недоиспользование его установленной мощности. Неучет этого фактора приводит к завышению коэффициента использования уставленной мощности возобновляемого энергоисточника при оценке экономической эффективности проектов, вследствие чего формируется отрицательное отношение к проектам ВИЭ из-за неполучения на практике ожидаемого эффекта.
На рис. 2 приведен пример совмещения графиков потребления электроэнергии, характерного для небольших изолированных от энергосистем потребителей, и ее выработки ветроэнергетической станцией (ВЭС) различной установленной мощности.
Приведенный пример иллюстрирует варианты покрытия графика потребления электроэнергии при различных мощностях ВЭС: максимально полное покрытие за счет выработки ВЭС (максимальная мощность), при котором полностью замещается существующая ДЭС, однако недоиспользуется значительная мощность ВЭС в летнее время (1); промежуточное покрытие (2); минимальное, обеспечивающее полное использование выработки ВЭС, возможной по показателям потенциала возобновляемого энергоресурса (3). В вариантах 2 и 3 часть потребности в электроэнергии обеспечивается дизельной электростанцией, в вариантах 1 и 2 возникает проблема неполного использования мощности ВЭС.
При увеличении мощности возобновляемого источника энергии возрастает его доля участия в обеспечении потребности в энергии, соответственно, объем вытесняемого органического топлива, но увеличиваются суммарные капиталовложения в него.
Вышеизложенные факторы обусловили необходимость расширения, дополнения и детализации имеющегося метода методикой определения оптимальной мощности ВИЭ для изолированного от энергосистемы потребителя (см. рис. 1).
Методика определения оптимальной мощности ВИЭ
Предлагаемая методика основана на соотношении стоимостных показателей (капиталовложений в ВИЭ и стоимости вытесненного органического топлива на существующем энергоисточнике), которые в большой мере зависят от показателей потен-
Рис. 3. Основные этапы методики определения оптимальной мощности возобновляемого источника энергии
циала возобновляемых природных энергоресурсов. Основные этапы методики представлены на рис. 3.
Исходной информацией являются характеристики исследуемого объекта:
— минимальная (Nmin) и максимальная (Niax) нагрузка потребителя и годовой график потребления энергии {Эп },
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.