УДК 621.311.24
ОСОБЕННОСТИ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВЕТРОВУЮ И ГИДРОЭНЕРГИЮ
А. В. Чернова
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Тел.: (812) 552-77-71, факс: 552-80-68, e-mail: vieg@cef.spbstu.ru, anna_chernova@list.ru
Заключение совета рецензентов 05.05.14 Заключение совета экспертов 06.05.14 Принято к публикации 07.05.14
Ветровая и гидравлическая энергия рассматриваются мировым сообществом как одни из наиболее перспективных новых энергетических ресурсов. В статье проанализированы и выявлены основные особенности процесса обоснования параметров энергетических объектов, использующих ветровую и гидроэнергию. Разработана инженерная методика обоснования параметров таких объектов, включающая четыре уровня оптимизации. Для каждого уровня оптимизации предложена последовательность решения задачи, разработаны критерии оптимизации.
Ключевые слова: энергетический объект, энергетический комплекс, ветровая энергия, гидравлическая энергия, ветроэлектрическая станция, гидроэлектрическая станция, обоснование параметров.
PECULIARITIES OF WIND AND HYDRAULIC POWER FACILITIES PARAMETERS JUSTIFICATION
A.V. Chernova
Saint-Petersburg State Polytechnic University Science and Educational Center «Renewable Energy Sources» 29 Polytechnicheskaya St., St.-Petersburg, 195251, Russia Tel.: +7 812-552-77-71, fax: +7 812-552-80-68, e-mail: vieg@cef.spbstu.ru, anna_chernova@list.ru
Referred 05.05.14 Expertise 06.05.14 Accepted 07.05.14
Wind and hydraulic energy are considered to be the one of the most perspective new energy sources. In the article the main features of the process of justification of the parameters of the power objects, which use wind and hydraulic power, are analyzed and revealed. The engineering method of justification of parameters of such objects, including four levels of optimization, is developed. For each level of optimization the sequence of the solution of a task is offered, the optimization criteria are developed.
Keywords: power object, energy complex, wind energy, hydraulic energy, wind power station, hydroelectric station, justification of parameters.
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» СПбГПУ, младший научный сотрудник научно-образовательного цента «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ»). Область научных интересов: вопросы энергоснабжения потребителей \ J энергетическими комплексами на основе ВИЭ, основное внимание уделяется
энергетическим комплексам на базе ветроэлектрических и гидроэлектрических станций. Публикации: 9.
Анна Владимировна Чернова
Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. рег. № 1993
RES BASED POWER COMPLEXES
The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1993
Введение
В последние десятилетия в мире резко возрос интерес к развитию технологий на основе использования возобновляющихся источников энергии, проявляющийся в виде большого количества нормативных документов, стремления к снижению выбросов парниковых газов и внедрению новых и более экономически эффективных источников генерации. Ветровая и гидравлическая
энергия рассматриваются мировым сообществом как одни из наиболее перспективных новых энергетических ресурсов.
Мощность ветроэлектрических станций (ВЭС) в мире к настоящему времени превысила 295 ГВт, из которых 13,9 ГВт были добавлены за первое полугодие 2013 года. Всемирная
ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) прогнозирует, что общая установленная мощность мировой ветроэнергетики достигнет 500 ГВт к 2016
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
году и возможно около 1000 ГВт к 2020 году. Наиболее активно ветроэнергетика развивается в Китае, США и Германии, суммарная установленная мощность ВЭС в этих странах достигла, соответственно, 91,60 и 32,5 ГВт [1]. Установленная мощность гидроэлектростанций в мире составляет 1138 ГВт, выработка - 3888 ТВтч, что составляет порядка 16% общемирового производства энергии [2].
Режим работы агрегатов и выработка энергии на ВЭС носит вероятностный характер, что требует создания резервной и аккумулирующей систем. Наиболее эффективным способом аккумулирования энергии ветра является использование водохранилищ ГЭС, которые, в отличие от других существующих систем, обладают достаточной ёмкостью для запасания и длительного хранения всей электроэнергии, вырабатываемой ВЭС [2-4]. Вопросам обоснования параметров энергетических объектов, использующих ветровую и гидроэнергию, посвящены работы [2-11]. Примерами такого объединения могут служить проекты энергетических комплексов ВЭС-ГЭС в Мексике (ветропарк «La Venta» и ГЭС «Presidente Benito Juárez»), в России (проект Волгоградской ВЭС и Волжской ГЭС), в Канаде (проекты компании Hydro Quebec).
Возможность широкого применения
энергокомплексов ВЭС-ГЭС в России обусловлена доступностью ресурсов ветровой и гидравлической энергии по всей территории страны. Применение энергетических комплексов ВЭС-ГЭС может решить ряд приоритетных задач, в числе которых повышение ресурсообеспеченности, а так же экологической и энергетической безопасности децентрализованных и изолированных районов.
Особенности прихода ветровой и гидравлической энергии
При оценке характеристик поступления на поверхность земли ветровой и гидравлической энергии можно выделить следующие особенности [2]:
Природа происхождения этих источников энергии связана с геофизическими процессами, цикличность которых зависит от параметров обращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, а в долгосрочном плане - от процессов на самом Солнце.
Отдача энергии этими источниками имеет также общие черты с общими закономерными и стохастическими вариациями.
Временные и режимные характеристики течения ветровой и гидравлической энергии наиболее полно могут быть смоделированы с использованием функциональных и вероятностных моделей.
Получаемая с помощью технических средств энергия ВИЭ неразрывно связана с природным течением соответствующего геофизического
процесса - стока и динамики атмосферы, поэтому приход энергии всегда подвержен значительным изменениям во времени.
Прогноз прихода энергии возобновляемых источников практически всегда базируется на информации за прошедшее время, и, следовательно, все принимаемые проектные решения и расчеты всегда могут быть даны только с некоторой степенью достоверности, точности и надежности.
Ветровая и гидравлическая энергия имеют существенные отличия по временному приходу первичной энергии, что весьма важно при рассмотрении вопросов их комбинированного использования. Особенности прихода ветровой и гидравлической энергии в кратко-, средне- и долгосрочные временные интервалы подробно рассмотрены в [12].
Структурная схема энергетического объекта, использующего ветровую и гидроэнергию
Энергетический объект, совместно
использующий ветровую и гидроэнергию, представляет собой объединение
ветроэлектрической и гидроэлектрической станций, при котором ВЭС и ГЭС находятся в непосредственной близости друг от друга и соединены между собой энергетическими, инфраструктурными и информационными связями. Основными структурными элементами такого энергообъекта являются ветроэлектрическая станция (ВЭС), гидроэлектрическая станция (ГЭС), водохранилище и распределительное устройство (РУ) (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема энергетического объекта, использующего ветровую и гидроэнергию Fig. 1. Structural design of the power object using wind and hydraulic power
Основные параметры энергетического объекта, использующего ветровую и гидроэнергию, подлежащие технико-экономическому обоснованию, приведены в табл. 1. Параметры распределительного устройства являются вторичными по отношению к параметрам ВЭС, ГЭС и водохранилища и в дальнейшем не рассматриваются.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Таблица 1
Структурные элементы и основные параметры энергетического объекта, использующего ветровую и гидроэнергию
Table 1
Structural elements and key parameters of the power object using wind and
hydraulic power
№ п/п Структурный элемент Основные параметры Обозначение
1 Гидроэлектрическая станция (ГЭС) установленная мощность ГЭС Nrsc
2 среднегодовая выработка ГЭС эгэс
3 гарантированная мощность ГЭС расчётной обеспеченности Nfap
4 количество агрегатов ГЭС пагр
5 Водохранилище отметка нормального подпорного уровня ▼ НПУ
6 отметка уровня мёртвого объёма ▼ УМО
7 полный объём водохранилища 'Удолн
8 полезный объём водохранилища
9 площадь зеркала водохранилища Йвод
10 глубина сработки Ьсраб
11 Ветроэлектрическая станция (ВЭС) установленная мощность ВЭС ^эс
12 среднегодовая выработка ВЭС эвэс
13 количество ВЭУ в составе ВЭС пвэу
Последовательность обоснования параметров.
Критерии и уровни оптимизации
Обоснование параметров энергетического комплекса ВЭС-ГЭС представляет собой иерархический, многоуровневый, итерационный процесс. Поиск оптимального решения выполняется методом последовательного приближения на основе многовариантного поиска.
Уровень 0. Задачей подготовительного этапа является сбор исходных данных, необходимых для выполнения расчётов по обоснованию параметров энергетического объекта. Подготовка исходных данных для объектов, совместно использующих ветровую и гидроэнергию, включает следующие составляющие:
1. Определение требуемого графика нагрузки потребителя Р=ОД.
2. Определение предварительного местоположения створа(ов) гидроузла и площадки(ок) размещения ВЭС.
3. Подготовка метеорологических данных наблюдений за скоростью и направлением ветра и=:1(Ч) и данных гидрологических наблюдений 0=:1(Х).
4. Построение кривых связи расходов и уровней в нижнем бьефе гидроузла УНБ=1"(Р), и уровней в верхнем бьефе гидроузла, и объемов водохранилища УВБ=:(УВОд) для выбранного створа(ов) гидроуз
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.