Разработка метода выбора параметров комбинированных ветро-фотоэлектрических энергоустановок для автономного сельского дома

В настоящее время энергообеспечение в России осуществляется посредством высоко централизованной энергосистемы, которая образована крупными энергетическими объектами, использующими органическое, ядерное топливо и энергию больших рек, связанных с потребителями мощными высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП). На долю перечисленных электростанций приходится около 90% от валового производства энергии в стране [62].

Однако огромное число обширных областей России (около 70% территории), где большая доля населения живет в сравнительно мелких поселениях, далеко отстоящих друг от друга, не присоединено к системам централизованного энергоснабжения (рис. B.1) [56, 58, 62]. В этих регионах (тайга, степные и лесостепные зоны, горные массивы, пустыни и полупустыни) преимущественно сельскохозяйственного использования, а также в ряде районов Нечерноземной зоны России, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока (заброшенные удаленные деревни и хутора с мелкоконтурными угодьями) проживает более 20 млн. чел [56, 58]. Для них обеспечение электрической, а в некоторых случаях и тепловой энергией, является актуальной социальной и производственной проблемой. Неэлектрифицированные поселения встречаются и в зонах централизованного энергоснабжения. Более того, часть потребителей вообще не имеет современных средств энергоснабжения (около 12 млн. человек) [56, 58].

В этих условиях создание энергетических систем по типу, сложившемуся в России, когда электроэнергия вырабатывается на крупных электростанциях и доставляется в районы с высокой плотностью населения по ЛЭП, оказывается нерентабельным, поскольку строительство ЛЭП с целью подключения к централизованной энергетической сети рассредоточенных по большим территориям маломощных сельскохозяйственных потребителей сопряжено с большими материальными затратами. Стоимость строительства ЛЭП (для условий России) колеблется в пределах от 12.500 до 25.000 USD/km и зависит от конструкции ЛЭП и условий прокладки трассы [11, 46, 58].

В настоящее же время энергоснабжение децентрализованных потребителей осуществляется в основном за счет дизельных и бензиновых электростанций, а также местных самозаготовок (дрова и пр.). Необходимое для этого ископаемое топливо завозится из далеко расположенных центров различными способами (автомобильным и железнодорожным транспортом, наводными средствами, а в отдаленные районы — вертолетами), что делает его очень дорогим. Кроме того, эти поставки далеко не всегда надежны и зависят от множества факторов, в число которых входят погодные условия, наличие транспортных средств и т. д. К числу отрицательных следствий, характерных для энергетических установок, использующих ископаемые виды топлива, помимо вредного воздействия на окружающую среду и проблем с доставкой топлива, следует также отнести: неизбежный рост цен на традиционные энергоносители, обусловленный ограниченностью ресурсов органического топлива, необходимость хранения его некоторого запаса, периодические эксплуатационные расходы на поддержание работоспособности и ремонт двигателя, постоянный шум и пр.

Проблема обеспечения автономных потребителей (фермерские хозяйства, приусадебные и садово-огородные участки крестьянских и городских жителей и т. д.), расположенных в удаленных от централизованного энергоснабжения «неудобных» и малоиспользуемых земельных угодьях (многие из которых являются привлекательными в отношении возможностей развития сельскохозяйственного производства, но признаются неперспективными ввиду отсутствия энергоснабжения) может быть отчасти решена за счет применения технологий возобновляемой энергетики, снабжающих потребителей энергией непосредственно «на месте», которые в течение последних десятилетий достигли достаточно зрелого состояния и получили широкое развитие в зарубежной практике, преимущественно в сельском хозяйстве.

Если раньше с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) возникали проблемы технического плана, то в настоящее время основным вопросом, возникающим на пути их использования, является высокая начальная стоимость. Однако при определенных условиях системы энергоснабжения на основе ВИЭ уже сегодня могут быть вполне конкурентоспособными (в том числе и в России) в сравнении с традиционными способами энергообеспечения [62].

ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РОССИИ.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ Суммарный приход солнечной радиации более 1000 кВтч/кв.м в год.

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГИЯ Среднегодовые скорости ветра более 5 м/с s.

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ.

Избыточная лесообеспеченность куб. м на 1 человека.

Потенциал ВИЭ в России как видно из таблицы В.1. значителен и вполне достаточен для энергоснабжения автономных сельских потребителей [11, 12, 15, 31, 60, 64, 67, 83]. Он неодинаков в различных регионах, но нет ни одного из них, где хотя бы один из возможных ВИЭ (солнце, ветер, биомасса, тепло Земли, малые реки) не имел технического потенциала позволяющего рационально использовать местные энергоресурсы в народном хозяйстве (рис. В.1).

Таблица В.1.

Потенциал возобновляемых источников энергии в России.

Солнечная энергия 10ь млрд. кВтч/год (2,3×10″ 3 млрд. ту. т/год).

Ветровая энергия 103 млрд. кВтч/год (26×103 млн.ту.т./год).

Гидроэнергия 852 млрд. кВтч/год.

Энергия малых рек 150−200 млрд. кВтч/год.

Энергия морей и океанов 210 млрд. кВтч/год.

Энергия биомассы 20−30 млрд. т у. т/год.

Среди всех ВИЭ наиболее распространенными и доступными энергоисточниками, особенно для различных маломощных бытовых и производственных процессов в условиях сельского хозяйства (освещение, телевидение, охлаждение, водоподъем и орошение, сушка сельскохозяйственных продуктов и пр.), являются энергия солнца и ветра. К тому же, в последнее время развитие технологий на базе этих ВИЭ получило мощный толчок, причем как в зарубежной, так и в отечественной практике, что повсеместно подтверждается успешно выполняемыми работами в России и в мире. Далее приводятся некоторые из примеров эффективного использования технологий на основе энергии солнца и ветра.

В период с 1990 по 1995 годы в Германии была успешно выполнена государственная программа «1000 солнечных крыш», основным результатом проведения которой стало повсеместное утверждение реальности эффективного использования энергии солнца в качестве конкурентоспособного источника электроэнергии [49]. Положительный эффект от проведения германской программы был адекватно оценен во многих странах мира. Япония осуществляет с начала 1997 г. программу «10.000 фотоэлектрических крыш», которая финансируется на одну треть из государственных источников [49].

В Кении за последние 5 лет с помощью фотоэлектрических установок (ФЭУ) было электрифицировано 20.000 сельских домов [71]. Большая программа по внедрению ФЭУ реализуется в Индии, где в 1986;1992 гг. на их установку в сельской местности было затрачено 690 млн. рупий [60]. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, установлено около 800.000 солнечных коллекторов (СК), которые обеспечивают 70% населения страны горячей водой [71]. Летом 1997 г. президент США заявил о начале проведения беспрецедентной государственной программы использования фотоэлектричества, подразумевающей установку и использование около миллиона ФЭУ в городах США [70], а в конце декабря 1997 г. в свет вышла Белая Книга Европейского Союза (ЕС) по Стратегии и Плану Действий в области развития возобновляемой энергетики («COM/97/599/final»), содержащая детальный план конкретных мероприятий, направленных на увеличение вдвое относительно уровня 1995 г. вклада ВИЭ в общий энергетический баланс ЕС (от 5,3% до 12%) к 201 Ог, согласно которому большая роль в достижении этой цели отводится увеличению использования энергии солнца и ветра [103].

Сегодня в промышленно развитых странах получило значительное развитие строительство ветроэлектрических установок (ВЭУ). По данным Американской Ветроэнергетической Ассоциации (AWEA) в мире на конец 1999 г. установленная мощность ветроэлектрических систем (ВЭС), подключенных к энергетическим сетям, превысила 13 ГВт [51]. Так, в США установлены ВЭУ общей мощностью более 2,7 ГВт, из которых 1630 МВт (конец 1999 г.) приходятся на три крупные ветроэлектрические фермы, расположенные в штате Калифорния [51]. На долю ЕС приходится около 3,5 ГВт установленной мощности ВЭУ при планируемом увеличении к 2010 г. до 40 ГВт [88, 103]. К настоящему времени Германия, успешно притворив в жизнь различные проекты использования ВЭУ, вышла на первое место по этому показателю в мире (4,4 ГВт на конец 1999 г.). Следует особо отметить опыт Дании в использовании энергии ветра, в которой ВЭС производят около 3% потребляемой страной энергии (1,7 ГВт), причем около 60% установленной мощности сосредоточено в руках частных и коллективных собственников, имеющих одну-две установки [88, 103]. Весьма успешно развивается ветроэнергетика в таких странах, как Греция, Испания, Нидерланды, Швеция и др. На ближайшие годы программы этих стран предусматривают дальнейшее значительное увеличение парка ВЭУ [88, 103]. За последние несколько лет в число ведущих стран по развитию ветроэнергетики вошла Индия, которая к концу 1999 г. имела установленные мощности ВЭУ в размере 1,1 ГВт и занимала 5-е место по производству электроэнергии на ВЭС в мире, в то время как в марте 1992 г. в Индии работали лишь ВЭУ общей мощностью около 40 МВт [103].

Несмотря на то, что на общем фоне использование технологий на основе энергии солнца и ветра в России выглядит довольно скромно (5 МВт установленной мощности ВЭС), примеры эффективного использования ВИЭ есть и в отечественном хозяйстве, к примеру, в Ростовской области рядом с Цимлянским водохранилищем установлено ветроэнергетическое хозяйство VES-300, мощностью 300 кВт, состоящие из 10 ВЭУ (30 кВт каждая). Реализация проекта была начата в конце 1995 г. и завершена весной 1996 г. К 1-му января 1997 г. этим ветроэнергетическим хозяйством было произведено 1.720.934 кВтч электроэнергии при суммарном времени работы около 55.000 часов [11].

Заслуживающий внимания пример использования энергии ветра есть в Гатчинском районе Ленинградской области, где находится фермерское хозяйство, удаленное от централизованной системы энергоснабжения на расстоянии 5 км. До 1996 г. для снабжения фермы электроэнергией использовались автомобильные аккумуляторы, которые приходилось каждую неделю переносить в удаленный дом для подзарядки. В январе 1996 г. была приобретена небольшая ВЭУ стоимостью 800 USD и мощностью 300 Втвес установки — 40 кг, включая контрольные приборы. Этот ветровой агрегат обеспечивает освещение, телевидение и питание других маломощных приборов, не причиняет никаких неудобств. Но, по мнению обитателей фермы, основное преимущество от использования ВЭУ заключается в качественном повышением уровня их жизни, т.к. им больше не приходится носить тяжелые автомобильные аккумуляторы для подзарядки [59].

В деревне Морозовская Краснодарского края есть пример эффективного применения солнечной энергии для обеспечения электроснабжения фермерского хозяйства. Эта ферма расположена на расстоянии около 2 км от ближайшей ЛЭП. По инициативе хозяина была установлена ФЭС общей мощностью 500 Вт и стоимостью 5.000 USD. Мощности этой системы вполне хватает для электропитания холодильника, телевизора, стереосистемы, освещения и даже сварочного оборудования в летнее время, зимой же семья живет в доме, находящемся в деревне и снабжаемом электричеством от централизованной сети энергоснабжения [9].

В Вологодском районе, недалеко от г. Череповец, находится деревня Шалочь, которая не имеет централизованного электроснабжения. В 60-х годах деревня была признана неперспективной и к началу 90-х годов в ней оставалось 3 семьи. До 1993 года для освещения использовались керосиновые лампы, для приготовления — пищи керосинки и газовые плиты на сжиженном привозном газе в баллонах. Никаких средств коммуникации не было — отсутствовали телефон, почта, радио, медицинский пункт и др. Строительство ЛЭП для электроснабжения деревни затруднено из-за необходимости вырубки леса при прокладывании трассы (20 км), а также выполнения строительных работ на заболоченных землях. По укрупненным оценкам для централизованного электроснабжения потребуется около 380.000 USD. Расчетные ежегодные затраты на обслуживание составляют около 12.000 USD (без учета стоимости электроэнергии). В 1993;1994 гг. были установлены 14 ФЭС (12 систем мощностью 65 ВтПИк, а две — 130 ВтПИк). Кроме того, эксплуатируются три ВЭУ мощностью 160 Вт. В домах используется высокоэффективное оборудование: флуоресцентные лампы по 7 Вт, 9 Вт и 11 Вт, телевизоры мощностью 15 Вт и энергоэффективные водяные насосы [59].

Использование энергии солнца и ветра в России не ограничивается приведенными выше фактами, существует множество и других примеров рационального применения технологий возобновляемой энергетики, но в масштабе огромной страны они выглядят в общем незначительно, особенно учитывая острую необходимость в увеличении производства энергии и огромный неиспользуемый потенциал, заключенный в ВИЭ.

В подтверждение этого можно привести выдержку из российского национального доклада «Роль и значение возобновляемых источников энергии в России», 1999г: «Несмотря на имеющиеся трудности с созданием условий для крупномасштабного развития и внедрения ВИЭ, их роль в энергетической стратегии России является важной не столько по количественным параметрам, сколько по их экологическому эффекту и их значению для обеспечения энергетической безопасности всех энергодефицитных районов» [62].

Вопросами использования энергии солнца и ветра в сельском хозяйстве занимаются значительные коллективы научных, проектных и производственных предприятий, как в России, так и в зарубежных станах. Среди ученых, изложивших основные вопросы по этим проблемам, следует особо отметить следующих: Абрамов Н. Д., Алексеев В. В., Алиев Р. К., Андерсон Б., Антонов Ю. М., Даффи Дж., Безруких П. П., Бекман У. А., Беленов А. Т., Берковский Б. М., Боков Г. С., Виссарионов В. И., Доброхотов В. И., Евдокимов В. М., Заддэ В. В., Зоколей С. В., Иродионов А. Ф., Кузмич В. В., Лидоренко Н. С., Сокольский А. К., Стребков Д. С., Тарнижевский Б. В., Твайделл Д., Тверьянович Э. В., Трушевский С. Н., Тюхов И. И., Усаковский В. М., Фомичев В. Т., Харитонов В. П., Шабо Б., Шефтер Я. И., Шпильрайн Э. Э. и др.

Однако некоторые аспекты применения фотои ветроэлектрических установок, в особенности комбинированных систем на их основе в регионах с большими сезонными изменениями характеристик солнечной радиации (CP) и скорости ветра, требуют дополнительных исследований и разработок.

Целью настоящей работы является разработка метода выбора параметров комбинированных ветро-фотоэлектрических энергоустановок и предложение методологии определения среди различных способов электрификации варианта, оптимального как в техническом, так и в экономическом отношениях для любого конкретного случая маломощного автономного сельского потребителя.

Основные задачи, решаемые в предлагаемой работе можно условно разделить по следующим категориям:

• проведение анализа основных принципов проектирования и строительства автономных жилищ с целью создания энергоэффективных сельских домов, обеспечивающих минимум энергозатрат в течение года и максимально эффективное использование энергии, производимой в автономных условиях;

• разработка общей методологии технико-экономического анализа возможных вариантов электроснабжения удаленного автономного жилища в климатических условиях России и их последующего сравнения;

• разработка метода выбора параметров комбинированных электрических систем на основе энергии солнца и ветра;

• определение условий эффективного применения энергии солнца и ветра для электроснабжения маломощных автономных сельских в сравнении с традиционными способами электрификации;

• разработка алгоритма и на его основе программы, которая позволит определять тип и основные характеристики варианта электрификации, наиболее целесообразного в любом конкретном случае автономного сельского потребителя.

Научная новизна. По результатам выполненной диссертационной работы получены следующие результаты:

• установлены математические зависимости, позволяющие определять наиболее эффективное соотношение между ФЭУ и ВЭУ в составе комбинированной системы;

• разработана методология выбора и рационального проектирования системы электроснабжения автономных сельских домов для регионов, где тепловые процессы в зимний период обеспечиваются за счет использования биомассы (самозаготовки дров);

• разработан алгоритм и компьютерная программа для определения оптимального способа электроснабжения автономного потребителя, которые основаны на системном подходе к рациональному использованию энергииПрактическая ценность. Разработаны рекомендации по рациональному выбору и применению ФЭУ и ВЭУ для автономных сельских потребителей с учетом оценки наличия местных возобновляемых энергоресурсов, экономических и технологических возможностей выработки электроэнергии современных энергетических средств и использованию комплектующего энергосберегающего оборудования. Указанные рекомендации опубликованы в бюллетене «Возобновляемая энергия», а также использованы при оснащении экспериментальных сельских объектов в Архангельской, Московской, Калужской, Ростовской и других областях Российской Федерации.

Разработанная компьютерная программа «AutonomousHome» позволяет в рамках экспресс-анализа при наличии минимального набора исходных данных определить тип и основные характеристики способа электрификации, наиболее целесообразного для любого конкретного региона России.

Установлена взаимосвязь стоимостных характеристик систем электроснабжения с техническими параметрами энергоресурсов и нагрузки потребителя.

Определены основные зависимости затрат на производство энергии различными способами от характерных для каждого варианта электроснабжения технических и экономических параметров и условий наличия местных энергоресурсов с учетом возможных способов финансирования проектов в условиях рыночной экономики.

На защиту выносятся следующие положения:

• методология выбора параметров комбинированных ветро-фотоэлектрических систем;

• математические зависимости для определения расчетных значений основных характеристик ФЭУ и ВЭУ в составе комбинированной системы;

• методология и общий алгоритм расчета и выбора наиболее целесообразной системы электроснабжения потребителя, в основе которых лежит принцип сравнения общих затрат на производство энергии для различных вариантов электрификации;

Реализация результатов исследований. Результаты теоретических исследований использованы при выполнении научно-технических отчетов по программе Российской Академии сельскохозяйственных наук и при строительстве экспериментальных и опытных объектов в различных областях и регионах России (Архангельская, Ростовская, Московская, Вологодская, Читинская, Калужская области, Бурятия и др).

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (1998г.), на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 1998 г.), на первой Всероссийской научной молодежной школе в Московском государственном университете (1999г.), Международной конференции в Варшаве (1999г.).

Публикация результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ и получен патент РФ на изобретение № 2 157 947.

выводы.

Проведенные исследования показали, что системы электроснабжения на основе энергии солнца и ветра вполне способны удовлетворить потребности автономных потребителей в электроэнергии. Экономическая целесообразность применения этих систем в современных условиях определяется ценами на топливо и расходами на его доставку, стоимостью электроэнергии и капитальными затратами на подключение к энергосистеме.

1). Разработана методология выбора параметров комбинированных автономных ветро-фотоэлектрических систем для регионов со значительными сезонными изменениями в приходе CP и скорости ветра при совпадении энергетического пика одного энергоисточника со спадом другого, характерном для большинства областей России.

2). Получены математические зависимости, выражающие связь между расчетными характеристиками ФЭУ и ВЭУ в составе общей энергетической установки, суточным потреблением энергии нагрузкой автономного объекта, приходом CP и скоростью ветра и позволяющие установить оптимальное соотношение компонентов комбинированной системы электроснабжения сельского потребителя.

3). Разработана методология расчета и последующего выбора среди различных способов электроснабжения автономного сельского потребителя варианта наиболее эффективного в условиях данной местности с определенными природно-климатическими факторами, стоимостными характеристиками энергетического оборудования и существующими ценами на энергоносители. В основе методологии лежит принцип сравнения общих приведенных затрат на производство энергии различными способами, доступными в каждом конкретном случае.

4). Ветро-фотоэлектрические системы, разработанные согласно предложенному методу проектирования комбинированных установок для регионов с большими сезонными изменениями климатических условий, при значительно меньших мощностях входящих компонентов (ФЭУ и ВЭУ) в сравнении с одиночными системами обеспечивают электроснабжение автономного потребителя на достаточном и одновременно стабильном уровне в течение всего года при требуемой степени обеспеченности и повышенной надежности энергоснабжения за счет использования двух различных источников энергии.

5). Разработаны рекомендации по оптимизации энергозатрат в доме в соответствии с предложенными принципами проектирования энергетически эффективных зданий с применением ВИЭ с учетом природно-климатических факторов местности и рационального использования энергии в них. При этом возможно достижение сокращения общих энергетических затрат на снабжение основных процессов в автономном доме в зависимости от ресурсов ВИЭ в целом до 75%.

6). Разработаны рекомендации по выбору мощностей энергетических установок на основе энергии солнца и ветра (одиночные и комбинированные) для трех вариантов нагрузок автономного объекта (с суточным потреблением энергии до 0,5- 2,5 и 5 кВтч/сутки) в зависимости от климатических условий местности и определены условия эффективного применения этих систем в сравнении с бензоили дизель-генераторными электрическими установками и с подключением к централизованной энергетической сети.

7). Программа «AutonomousHome», в которой реализованы принципы методологии выбора и расчета способа электрификации автономного сельского потребителя, разработанная в соответствии с предложенным общим алгоритмом, позволяет потенциальным потребителям определять целесообразность использования различных способов электрификации и их основные технико-экономические характеристики для любого конкретного местоположения автономного дома при наличии минимального набора исходных данных.