Статья поступила в редакцию 14.01.10. Ред. рег. № 702 The article has entered in publishing office 14.01.10. Ed. reg. No. 702
УДК 621.311
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В СОСТАВЕ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
О.В. Марченко, С.В. Соломин
Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 130 Тел.: (3952) 428861; e-mail: marchenko@isem.sei.irk.ru; solomin@isem.sei.irk.ru
Заключение совета рецензентов: 24.01.10 Заключение совета экспертов: 29.01.10 Принято к публикации: 05.02.10
В работе представлена математическая модель автономной энергосистемы, включающей ветроэнергетические установки, электролизер, топливные элементы, дизельные агрегаты, генераторы на основе древесного топлива и устройства для хранения газа и водорода. Определена оптимальная структура энергоисточников, а также стоимость электроэнергии. Проведен анализ экономической эффективности применения ветроэнергетических установок в составе энергосистемы в зависимости от цены органического топлива и средних многолетних скоростей ветра.
Ключевые слова: энергосистема, математическая модель, возобновляемые источники энергии, ветроэнергетические установки, экономическая эффективность, стоимость электроэнергии.
THE INVESTIGATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF WIND TURBINES IN DECENTRALIZED ENERGY SYSTEMS
O.V. Marchenko, S.V. Solomin
Energy Systems Institute of Russian Academy of Sciences 130 Lermontov str., Irkutsk, 664033, Russia Phone: +7(3952) 428861, E-mail: marchenko@isem.sei.irk.ru; solomin@isem.sei.irk.ru
Referred: 24.01.10 Expertise: 29.01.10 Accepted: 05.02.10
The paper presents a mathematical model of autonomous energy system including wind turbines, electrolyser, fuel cells, diesel units, power generators on wood fuel and gas and hydrogen storage tanks. The optimal structure of energy system as well as electricity cost were determined. Economic efficiency of wind energy turbines application in autonomous energy systems is analyzed depending of organic fuel cost and average annual wind speed.
Олег Владимирович Марченко
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, доцент Иркутского государственного университета.
Образование: инженер-физик, в 1976 г. окончил Московский инженерно-физический институт (МИФИ).
Профессиональный опыт: с 1975 г. работал в Сухумском физико-техническом институте, с 1992 г. - в ИСЭМ СО РАН.
Область научных интересов: оценка экономической эффективности энергетических технологий, математическое моделирование систем с возобновляемыми источниками энергии, исследования долгосрочных перспектив развития мировой энергетики.
Публикации: автор и соавтор 9 монографий и более 120 научных статей в отечественных и зарубежных журналах.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН. Образование: инженер-электрик, в 1986 г. окончил Иркутский политехнический институт. Профессиональный опыт: с 1986 г. работал в Отделе автоматизации и технической физики Иркутского научного центра СО РАН, с 1995 г. - в ИСЭМ СО РАН.
Область научных интересов: оценка экономической эффективности возобновляемых источников энергии, моделирование и анализ перспектив развития мировой энергетической системы. Публикации: автор и соавтор 6 монографий и более 70 научных статей.
Сергей Владимирович Соломин
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Введение
Расчетная схема
В настоящее время в связи с удорожанием органического топлива возрастает актуальность использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Их внедрение позволяет повысить экономичность энергоснабжения (особенно в небольших автономных энергосистемах с дорогим привозным топливом), а также уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду.
В настоящее время одной из наиболее быстро развивающихся технологий использования возобновляемых энергоресурсов является ветроэнергетика: мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире ежегодно возрастает на 20-30%. По состоянию на конец 2008 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в мире составила 121 ГВт по сравнению с 6 ГВт в 1996 г. [1]. К концу 2009 г. по предварительным оценкам она увеличилась до 152 ГВт (прирост на 25%) [2]. В настоящее время ВЭУ обеспечивают около 1,5% мирового производства электроэнергии, а к 2020 г. их доля может превысить 10% [1].
Лидерами в развитии ветроэнергетики являются США (21% суммарной мировой установленной мощности), Германия (20), Испания (14), Китай (10) и Индия (8). К сожалению, Россия в этом списке занимала лишь 51-е место среди 76 стран, в которых установлены ВЭУ (16,5 МВт в конце 2008 г.) [1].
Исследования долгосрочных перспектив развития мировой энергетики в XXI веке показывают, что роль ветроэнергетики в ряде сценариев (при введении ограничений на выбросы тепличных газов) может быть очень большой [3, 4]. При жестких ограничениях на выбросы мировое производство электроэнергии ветроэнергетическими установками может увеличиться с 260 ТВтч в 2008 г. до 5,9-7,7 тыс. ТВтч в 2050 г. и до 11 тыс. ТВтч в 2100 г. [4].
Существенной особенностью ветроэнергетических установок является непостоянство выработки электроэнергии (ее зависимость от изменяющейся скорости ветра). В связи с этим ВЭУ должны использоваться совместно с энергоисточниками других типов, дублирующими их мощность и снабжающими энергией нагрузку в периоды недостаточной выработки ВЭУ или их простоев. В такой энергосистеме также появляется возможность полезного использования избыточной (в отдельные моменты времени) энергии ВЭУ, например, для производства водорода методом электролиза.
Цель настоящей работы - математическое моделирование и оценка экономической эффективности автономной энергосистемы, включающей энергоисточники разных типов, а также систему производства (за счет утилизации энергии ветра), хранения и энергетического использования водорода в топливных элементах. В отличие от опубликованной ранее работы [5], дополнительно рассматривается эффективность применения электростанций на биомассе (древесном топливе) и исследуются условия конкуренции с ними ветроэнергетических установок.
Рассматривается автономная энергосистема, включающая одну или несколько ветроэнергетических установок, дизельную электростанцию (ДЭС), газогенераторную электростанцию (ГГЭС) на биомассе, электролизер, ресивер, топливные элементы (ТЭ) и потребителей электроэнергии с их графиком нагрузки (рис. 1).
Рис. 1. Расчетная схема автономной системы электроснабжения Fig. 1. Scheme of autonomous energy system
ВЭУ непосредственно снабжает электроэнергией потребителей с переменной нагрузкой (если этой электроэнергии недостаточно, то одновременно могут работать ДЭС, ГГЭС и ТЭ), избыточная энергия ВЭУ потребляется электролизером (если ресивер не полностью заполнен водородом) или срабатывается на балластном сопротивлении (на рис. 1 не показано).
На рис. 1 ГГЭС представлена в виде одного блока (вход - древесное топливо, выход - электрическая энергия). В этом случае ГГЭС используется для покрытия базисной части нагрузки (для покрытия пиковых нагрузок служат ДЭС и ТЭ, потребляющие накопленный в ресивере водород).
Рубительная машина
Дрова Щепа Газогенератор
Сушилка
I
Электроагрегат
ДЭС
Газ
Газгольдер
ВЭУ
X
Потребители
Рис. 2. Блок-схема газогенераторной электростанции Fig. 2. Block diagram of gasgenerator power station
На рис. 2 показан другой вариант ГГЭС - с возможностью накопления и хранения произведенного газогенератором из древесного топлива синтез-газа в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
резервуаре (газгольдере). Аккумулирование газа позволяет использовать электроагрегат ГГЭС для покрытия также и пиковой части нагрузки и тем самым полностью исключить из системы ДЭС, т.е. использовать только возобновляемые энергоресурсы.
ГГЭС (рис. 2) состоит из а) модуля подготовки древесного топлива (рубительная машина для производства энергетической щепы и сушилка); б) модуля газификации (газогенератор для получения газа из древесины и система охлаждения и очистки газа); в) газгольдера (резервуар для накопления и хранения газа); г) модуля генерации (газопоршневой электроагрегат, работающий на генераторном газе).
Математическая модель
Оптимизация структуры и режима работы рассматриваемой автономной энергосистемы (см. рис. 1) сводится к решению задачи: найти минимум целевой функции
S =
1
Q
при ограничениях
Е fK+
^ min
Pj + Pwj + Pcj + PFCj = Lj + Uj
0 < P < P
ij ij max
Uj > 0 ;
PWj PWj max f (Vj );
P = P •
1 Gj 1 Gj max ' PFCj < PRj Лд nFC 1 At ; PEj = min( Uj ,( Pr max - Prj )|(Пе At));
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
PRj = PR(j-1) + [PEjПе - PFCj |(ПFCП )] At - (9)
Здесь введены обозначения: S и Q - стоимость и среднегодовой объем отпущенной потребителям
ln(1 + d)
электроэнергии; Fi = ^———^у? - коэффициент возврата капитала; K - инвестиции; Z - среднегодовые текущие издержки (включая затраты на топливо); Т -срок службы; d - годовая норма дисконта; P - мощность энергоисточника (для ресивера - количество содержащегося в нем водорода); L - мощность потребителей; U - избыток мощности; V - скорость ветра; f(V) - рабочая характеристика ВЭУ; п - КПД; At - шаг по времени; индексы: i - тип энергоисточника (D - ДЭС, W - ВЭУ, G - ГГЭС, E - электролизер, R - ресивер, FC - топливные элементы), j - момент времени, max - максимальная величина мощности (установленная мощность).
Уравнение (2) - это баланс мощности в j-й момент времени; (3) - ограничения на мощность; (4) -условие бездефицитности электроснабжения; (5) -мощность ВЭУ в зависимости от скорости ветра в j-й момент времени (случайная величина); (6) - условие работы ГГЭС в базисном режиме; (7) - ограничение на мощность топливных элементов по запасу водорода; (8) - ограничение на мощность электролизера по избытку электроэнерги
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.