Главная Коллекция "Otherreferats" Физика и энергетика Проект энергоэффективной системы электроснабжения элеватора с применением ветровой установки 200 кВт

Проект энергоэффективной системы электроснабжения элеватора с применением ветровой установки 200 кВт

Повышение энергоэффективности дизельных систем электроснабжения с помощью возобновляемой энергетики. Варианты построения ветродизельных электростанций. Принципы моделирования статических режимов работы элементов автономной ветродизельной системы.

Рубрика Физика и энергетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 02.11.2015
Размер файла 106,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Выполнение ограничений 1 - 5 является обязательным. Однако, для достижения максимальной энергетической эффективности ВДЭС алгоритм управления режимами комплекса должен реализовывать следующие дополнительные функции:

6. Максимальное полезное использование энергии, вырабатываемой ВЭС.

7. Обеспечивать загрузку дизельного двигателя в продолжительных режимах на уровне 80 - 90% от его номинальной мощности.

8. Не допускать частых включений (отключений) дизеля и его режимов работы на малых нагрузках.

Выполнение условия 6 обеспечит максимальное замещение энергии, вырабатываемой ДЭС, энергией ВЭС, а, следовательно, и максимальную экономию дорогостоящего дизельного топлива. Выполнение условия 6 достигается рациональным выбором установленных мощностей ВЭС и БНЭ с учетом имеющегося ветрового режима и характера нагрузки.

Выполнение условий 7-8 обеспечивает увеличение эксплуатационного ресурса дизельного двигателя, а соответственно, и надежности электроснабжения потребителей.

В логику работы предлагаемого алгоритма управления режимами ВДЭС положены два основных принципа: максимальное полезное использование энергии, генерируемой ВЭС и минимизация числа часов работы ДЭС. Для практической реализации алгоритма управления необходим постоянный контроль за запасом энергии в буферном накопителе и текущими значениями генерируемой, потребляемой и аккумулируемой мощностями. Кроме того, ДЭС должна быть выполнена по третьей степени автоматизации, обеспечивающей дистанционный автоматический запуск и останов дизельного двигателя.

Интеллектуальная система управления ВДЭС обеспечивает постоянное распределение потоков энергии в замкнутой энергетической системе в зависимости от ее текущего состояния. С точки зрения управления режим работы станции определяется соотношением текущих значений мощности, генерируемой ВЭС и потребляемой нагрузкой. Возможны два основных режима:

1 Выходная мощность ВЭС больше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме потребитель полностью обеспечивается энергией от ВЭС. Излишки вырабатываемой ВЭС мощности направляются на заряд аккумуляторных батарей, а в случаях, когда они превышают максимальную зарядную мощность АБ, избыток энергии рассеивается на балластных сопротивлениях.

2. Выходная мощность ВЭС меньше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме СУ определяет недостаток мощности, необходимой потребителю, и производит оценку возможности ее получения из БНЭ. Если необходимая в текущем режиме разрядная мощность накопителя не превышает предельно допустимых значений, то покрытие электрической нагрузки ВДЭС производится за счет мощности ВЭС и разрядной мощности АБ. В противном случае СУ формирует управляющий сигнал на запуск дизельного двигателя, и покрытие электрической нагрузки производится совместными усилиями ВЭС и ДЭС, которые, кроме этого, обеспечивают заряд АБ.

Во всех рабочих режимах производится контроль за остаточной емкостью АБ. Если остаточная емкость АБ достигает номинального значения, подается сигнал на останов ДД, если остаточная емкость АБ составляет менее 30% от ее номинальной (полной) емкости подается сигнал на запуск ДД.

С целью минимизации тяжелых, с точки зрения эксплуатационного ресурса, режимов пуска дизелей логика управления ВДЭС организована таким образом, что после запуска ДЭС она остается в работе до полного заряда аккумуляторных батарей, обеспечивая ее постоянную подзарядку оптимальным зарядным током.

В качестве примера на рисунке представлен суточный режим работы ВДЭС, построенной на базе дизель-генератора номинальной мощностью 15 кВт, ВЭС мощностью 50 кВт и буферного накопителя из 40 аккумуляторов с суммарной запасенной энергией 90 кВт-ч.

Представленный график получен по результатам имитационного математического моделирования автономной системы электроснабжения.

Характеристиками суточного рабочего режима ВДЭС являются временные зависимости запаса электроэнергии в аккумуляторах W/&, потребляемой мощности Рн, генерируемой мощностями ветровой Рвэу и дизельной Рдэс электростанциями.

На рис представлены характерные режимы ВДЭС. В течение временного интервала от 0 до 7 часов текущая мощность нагрузки покрывается за счет мощности, генерируемой ветроэнергетической установкой Рвэу и разрядной мощности аккумуляторных батарей Рр аб буферного накопителя. С 7 до 17 часов произошел запуск ДЭС, которая совместно с ВЭС обеспечивает питание нагрузки и одновременно заряд аккумуляторов - /дэс+^вэу=Лі+ ^з_аб - При достижении запаса энергии в БНЭ номинального значения, дизельная электростанция отключается и оставшуюся часть суток с 17 до 24 часов нагрузка запитывается от АБ и ВЭС.

Проведенные исследования доказывают, что использование в составе ВДЭС буферных накопителей энергии позволяет повысить коэффициент полезного использования ВЭУ за счет запаса энергии в накопителе в режимах превышения выходной мощности ВЭУ над потребляемой нагрузкой, а также значительно улучшить эксплуатационные режимы дизельных двигателей. Ключевым вопросом при проектировании ВДЭС с буферной системой накопления энергии является решение вопроса об оптимальной емкости накопителя.

Методика выбора оптимального варианта построения ВДЭС основана на расчете и сравнительном анализе энергетических характеристик автономной электростанции, предназначенной для электроснабжения конкретного потребителя с географической привязкой к месту ее размещения. Применение такого подхода обосновано тем, что энергетическая эффективность ВДЭС зависит от множества технических (распределение скоростей ветра в месте установки электростанции, характер электрической нагрузки, типоразмер ДГ и ВЭУ) и экономических (стоимость дизельного топлива, ДГ, ВЭУ, аккумуляторных батарей) факторов.

Улучшение энергетических характеристик ВДЭС достигается за счет рационального выбора установленных мощностей генерирующих и аккумулирующих источников, определяемых параметрами ветрового режима в месте размещения электростанции и графиком электрической нагрузки потребителя, а также оптимального управления потоками энергии в замкнутой энергетической системе, которое обеспечивает единая система управления рабочими режимами. Так как рациональное соотношение установленных мощностей ДЭС, ВЭУ и БНЭ не является типовым, а определяется индивидуально для каждой ВДЭС с учетом конкретных условий ее размещения и эксплуатации, в качестве критерия выбора основного силового оборудования целесообразно использовать технико-экономические показатели.

3.3 Повышение энергетической эффективности гибридной системы электроснабжения с применением регулируемой балластной нагрузки

Автоматизация эффективного электроснабжения автономных потребителей является важным направлением развития комфортности проживания населения. Стоимость доставки энергоресурсов в районы и области децентрализованного электроснабжения значительно повышает его себестоимость, заставляя использовать местные энергетические ресурсы - проще всего ветровые, в силу их универсальности и экономичности полезного использования [53]. Проведенные исследования показали, что наиболее выгодно использовать для электроснабжения автономного потребителя систему ВДЭС. Как известно, существует проблема выработки электроэнергии, которая зависит от ветрового потенциала в месте размещения электростанции, также существуют проблемы, связанные с утилизацией этой энергии из-за несовпадения графиков нагрузки потребителей и ветровых условий. Утилизировать излишки электроэнергии возможно с помощью аккумуляторных батарей, однако это не решает задачу полностью - зарядный ток аккумулятора ограничен и часть «лишней» энергии не используется.

Большая инерционность процессов запаса и отдачи энергии накопительными устройствами, построенными на базе аккумуляторных батарей, не позволяет также полезно использовать электроэнергию, генерируемую ВЭС при порывах ветра. Решение данной проблемы может осуществляться различными способами, например, использованием в качестве накопителей электроэнергии супер конденсаторов или гибридных накопительных устройств на основе сочетания АБ и электрических конденсаторов большой удельной емкости. Данный способ весьма перспективен, однако он требует значительного усложнения системы управления ВДЭС, к тому же высокая стоимость супер конденсаторов существенно ограничивает их практическое применение.

Более экономичный вариант построения ВДЭС предусматривает включение в состав электростанции регулируемой балластной нагрузки, обычно представляющей собой простые нагревательные элементы, которые можно использовать для горячего водоснабжения, отопления и опыт эксплуатации систем автономного электроснабжения в бытовых и сельскохозяйственных секторах показывает, что на тепловые нужды расходуется до 65 - 70% от общего потребления электроэнергии.

Другой причиной неполного полезного использования ветровой энергии является ограниченная (по рассмотренным выше техническим и экономическим причинам) емкость аккумуляторных батарей. Применим вероятностный анализ для установления соотношения между генерируемой и потребляемой мощностью типовой ВЭС.

Проведенные в ходе работы исследования показывают, что графики распределения нагрузки различных автономных энергосистем отличаются не столько формой, сколько уровнем максимальной нагрузки, то же касается распределения скоростей ветра. На рисунке 3.4 представлены рассчитанные типовые плотности распределения величины электрической нагрузки р(Р?) автономного потребителя.

На рисунке представлено типовое распределение скорости ветра p(V) по функции Вейбулла, которое определяется двумя параметрами, известными как масштабный параметр скорости с и параметр формы кривой распределения к, значение которого, по данным большинства метеостанций РФ, изменяется в пределах от 1 до 2.

Наиболее важным техническим параметром ВЭУ является рабочая характеристика, которая представляет собой зависимость развиваемой ветроустановкой мощности от скорости ветра. Анализ рабочих характеристик ВЭУ малой мощности различных типоразмеров показывает, что вид рабочей характеристики остается практически неизменным, меняются только показатель номинальной мощности ВЭУ.

На рисунке представлена обобщенная рабочая характеристика ВЭУ малой мощности, полученная автором в результате статистической обработки реальных технических характеристик 60 ветроустановок, мощностью от 1,0 до 100 кВт.

Если рассматривать представленные на рис. 3.5, 3.6 характеристики с точки зрения математической статистики, то можно считать, что скорость ветра V представляет собой случайную величину, а выходная мощность ВЭУ Рвэу является постоянным коэффициентом для соответствующей скорости ветра. Используя теоремы теории вероятности, получим выражение для определения плотности распределения вырабатываемой мощности ВЭУ:

На рис лредставлены совмещенные типовые вероятностные графики плотности распределения величины электрической нагрузки автономного потребителя (1) и вырабатываемой мощности ВЭУ (2), построенные в относительных единицах из условия равенства максимальной мощности нагрузки Рн_тах и номинальной мощности ВЭУ.

Представленный на рис график распределения вырабатываемой мощности ВЭУ построен для типичных ветровых условий и соответствует районам со среднегодовой скоростью ветра Vcp=4,0 ¦ м/с. Ограниченные кривыми 1 и 2 площади соответствуют общему количеству потребляемой нагрузкой и вырабатываемой ВЭС электроэнергии за определенный промежуток времени (обычно за год), соответственно.

Анализ зависимостей, приведенных на рис, наглядно показывает, что плотность распределения вырабатываемой и потребляемых мощностей ВЭС, работающей на автономного потребителя существенно различаются. Из графиков следует, что при выборе установленной мощности ВЭУ, равной максимальной мощности электрической нагрузки, она не в состоянии полностью обеспечить потребителя электрической энергией. При этом в изолированной энергетической системе неизбежны достаточно длительные временные интервалы дефицита мощности, для покрытия которых необходим гарантированный источник питания, которым обычно является ДЭС.

Повышение установленной мощности ВЭУ позволяет уменьшить, и даже полностью компенсировать дефицит мощности в изолированной энергетической системе, однако при этом неизбежно появления режимов профицита мощности, генерируемой ВЭС.

На рисунке 3.8 представлены совмещенные типовые вероятностные графики плотности распределения величины электрической нагрузки и вырабатываемой мощности ВЭУ, построенные для различных соотношений между установленной мощностью ВЭУ и максимальной нагрузкой:

Анализируя выше представленные графики можно сделать вывод, что в любой изолированной энергетической системе на базе ВЭУ, обеспечивающей электроэнергией автономного потребителя, будет существовать избыток вырабатываемой энергии, часть из которой можно сохранить в АБ, а часть останется неиспользуемой.

В качестве тестового примера была рассмотрена возможность установки ВЭУ, с известными данными о распределении скоростей ветра и графиках электрических нагрузок потребителя. Для полноты исследований при проведении энергетического анализа в составе ВДЭС предусматривалось применение аккумуляторных батарей, полной емкостью 200 А-ч, которые позволяют утилизировать часть «излишков энергии», генерируемой ВЭУ.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для обеспечения рационального энергетического баланса в автономной ВДЭС, а соответственно повышения ее энергетической эффективности, необходимо тщательным образом согласовывать установленную мощность ДЭС, ВЭУ и АБ с учетом ветровых условий в месте размещения электростанции и прогнозного графика электрических нагрузок. Тем не менее, даже при рационально выбранной схеме ВДЭС остаются излишки генерируемой ВЭУ электроэнергии, которые невозможно полностью утилизировать с помощью накопителей энергии, построенных на базе АБ.

Следовательно, любая автономная ВДЭС должна содержать в своем составе регулируемую балластную нагрузку, необходимую для согласования режимов производства и потребления энергии в режимах превышения мощности, вырабатываемой ВЭУ над текущей мощностью нагрузки.

Применение регулируемой балластной нагрузки в ВДЭС, работающей на автономного потребителя, в настоящее время является общепринятым [33], и алгоритм управления режимами электростанции, представленный в п. 3.2 настоящей работы, разрабатывался с учетом обозначенных выше положений.

Однако, возможности балластного регулирования могут быть существенно расширены за счет применения нестандартных алгоритмов управления. Основными недостатками алгоритма управления являются:

1. Режим заряда аккумуляторных батарей не является оптимальным, что существенно сокращает срок службы аккумуляторов;

2. Дизель-генераторная установка работает с переменной нагрузкой, что способствует уменьшению эксплуатационного ресурса дизельного двигателя.

Для оптимизации энергетического баланса ВДЭС необходимо построить такой алгоритм управления рабочими режимами автономной энергетической системы, который не только бы обеспечивал максимально полезное использование энергии ветра, но и регулировал работу основных энергетических компонентов системы с целью обеспечения максимальной экономии топлива и увеличения ресурса силового оборудования.

Как известно, эксплуатационный ресурс ДЭС мощностью до 100 кВт составляет от 10000 до 20000 моточасов, что значительно меньше срока службы ВЭУ. Кроме того, существует ряд негативных последствий длительной работы дизель-генераторов в режиме малых нагрузок, из которых можно выделить нестабильность рабочего режима дизельного двигателя, характеризуемая усиленным износом его компонентов, приводящих к снижению общего моторесурса. Режим малых нагрузок характеризуется также большим удельным потреблением топлива, обусловленным неточностью его дозирования и плохим распылением при малых расходах. Для максимального использования моторесурса ДЭС с минимальным удельным расходом топлива необходимо обеспечить неизменную загрузку дизельного двигателя на уровне 90% от номинальной.

Число рабочих циклов аккумуляторных батарей во многом определяется используемыми режимами их заряда / разряда. Для максимально эффективного использования аккумуляторов необходимо обеспечить двухуровневый режим их заряда по методу ток-напряжение, а разрядный ток не должен превышать определенной величины, обычно 25% от их полной емкости.

С учетом приведенных выше положений автором разработан усовершенствованный алгоритм управления рабочими режимами автономной ВДЭС, в котором регулируемая балластная нагрузка используется не только для согласования режимов производства и потребления энергии, но и обеспечивает эффективные режимы эксплуатации ДЭС и АБ.

Система управления (СУ) формирует управляющий сигнал на выпрямительно-зарядное устройство, обеспечивая оптимальный режим заряда АБ.

Как и в рассмотренном выше алгоритме управления, силовые агрегаты ДЭС переводятся в рабочее состояние при снижении остаточной емкости аккумуляторных батарей Саб ниже некоторого порогового значения (обычно не менее 30% от полной емкости) и остаются в работе до полного заряда аккумуляторов, после чего система управления формирует сигнал на отключение ДЭС.

Однако, в отличие от ранее предложенного алгоритма, в данном случае система управления во всех возможных рабочих режимах обеспечивает оптимальный режим заряда аккумуляторных батарей и неизменную загрузку дизель-генераторов на уровне 90% от их номинальной мощности. Обеспечение энергетического баланса между генерируемой и потребляемой мощностью во всех режимах работы ВДЭС осуществляется с помощью регулируемой балластной нагрузки.

Необходимо отметить, что при реализации такой стратегии управления на балластных сопротивлениях будет рассеиваться большее количество энергии в сравнении с ранее предложенным алгоритмом, что потребует некоторого увеличения общего числа часов работы силовых агрегатов ДЭС. Но, при этом, обеспечивается наиболее эффективный режим эксплуатации основного генерирующего оборудования, что будет способствовать повышению его срока службы.

При использовании усовершенствованного алгоритма управления номинальная мощность рабочих дизель-генераторов электростанции Рц_дэс должна обеспечивать покрытие максимальной нагрузки потребителя Ри тах и необходимой зарядной мощности АБ Р3.

С учетом того, что генераторы ДЭС во всех рабочих режимах должны быть загружены на 90% от их номинальной мощности, а максимальная зарядная мощность АБ не должна превышать 10% от их полной мощности Раб, для выбора установленной мощности генераторов ДЭС необходимо использовать следующее выражение:

Важным вопросом проектирования ВДЭС с предлагаемым алгоритмом управления является выбор необходимой мощности балластной нагрузки РБн, величина которой в данном случае выбирается как большее по двум условиям:

Выполнение первого условия необходимо для утилизации энергии, вырабатываемой ВЭУ при отсутствии электрической нагрузки, выполнение второго условия обеспечит оптимальную нагрузку дизель - генераторов ДЭС при минимальной нагрузке электростанции.

На рисунке ЗЛО представлен суточный режим работы ВДЭС, полученный по результатам имитационного математического моделирования по алгоритму с использованием балластной нагрузки.

Для моделирования использовалась ВДЭС, построенная на базе дизель-генератора номинальной мощностью 20 кВт, ВЭС мощностью 50 кВт и буферного накопителя из 40 аккумуляторов с суммарной запасенной энергией 90 кВт-ч.

Из представленного графика хорошо видно, что предложенный алгоритм управления обеспечивает оптимальные режимы эксплуатации ДЭС: в течение временного интервала с 4 до 13 часов дизель-генератор работает на неизменную нагрузку, составляющую 90% от его номинальной мощности, в остальную часть суток он выведен из работы. Для заряда аккумуляторов используется двухуровневый режим заряда, а их разрядный ток не превышает 25% от их полной емкости.

Принятые меры обеспечивают максимально эффективное использование основного генерирующего оборудования ВДЭС, что способствует увеличению его срока службы, однако это достигается за счет значительно большего рассеивания энергии на балластных сопротивлениях.

Из представленного на рис графика видно, что в течение временного интервала от 6 до 24 часов генерируемой мощности ВЭС вполне достаточно для полного покрытия электрической нагрузки потребителя, однако большая часть энергии, генерируемой в это время ДЭС и ВЭС, расходуется на питание балластной нагрузки.

Проведенный сравнительный анализ рабочих режимов ВДЭС с предложенными алгоритмами управления показывает, что в большинстве практических случаев использование первого алгоритма управления является более предпочтительным, ввиду значительно меньших потерь энергии и более экономичного расхода топлива ДЭС. Однако, ВДЭС со вторым алгоритмом управления могут оказаться конкурентоспособными в системах электроснабжения, в которых большая часть электроэнергии используется на отопление и горячее водоснабжение.

В подобных системах может оказаться целесообразным размещать балластные сопротивления непосредственно у потребителя, исключив таким образом нагревательную нагрузку из состава полезной.

На рисунке представлена структурная схема ВДЭС для автономного электроснабжения с распределенной балластной нагрузкой у потребителей.

Надо отметить, что для принятия решения о выборе системы с полезным использованием балластной нагрузки, необходимо: рассчитать затраты на монтаж системы отопления (которые могут быть достаточно дорогостоящими). В традиционной отопительной системе, как правило, источником тепла является вода, и в ее составе предусматривается использование следующего оборудования: водогрейный котел, обвязка котла; автоматика; циркуляционный насос; расширительный бак; отопительные приборы и т.п.

При бесперебойной подаче электроэнергии водяную систему отопления можно заменить прямой электрической, что реализуется гораздо проще. В домах с электроотоплением важным фактором является возможность простого обеспечения экономичного режима работы отопительной системы, т.е. возможность устанавливать рациональную температуру в отсутствие жильцов.

Также важным условием, при выборе типа отопительной системы, является наличие в данной местности источника тепловой энергии. Этот источник должен располагаться не слишком далеко от жилого дома и быть доступным.

Как известно расчет потребления теплоэнергии производится исходя из квадратных метров отапливаемой площади, следовательно, балластная нагрузка у каждого потребителя будет разной. В данном случае необходимо рассмотреть вопрос о распределении БН для каждого потребителя. Немаловажным вопросом является расчет тепловых потерь и запаса по теплу.

3.4 Выводы

В результате проведенных исследований были проанализированы рабочие режимы ВДЭС, работающей на автономного потребителя. Для проведения анализа использовались разработанные автором имитационные математические модели системы автономного электроснабжения, достоинством которых является учет реальных временных характеристик ветрового режима, а также уточненные расчетные характеристики графиков электрических нагрузок автономного потребителя.

В результате анализа вероятностных временных кривых распределения вырабатываемой и потребляемых мощностей ВЭС, работающей на автономного потребителя, было установлено, что в любой энергетической системе на базе ВЭС неизбежны временные интервалы дефицита и / или профицита мощности, и для обеспечения энергетического баланса в изолированной энергетической системе необходим гарантированный источник питания (ДЭС) и специальные устройства регулирования энергетического баланса.

Наиболее распространенными устройствами регулирования энергетического баланса в ВДЭС являются накопители энергии, выполненные на основе аккумуляторных батарей, и регулируемая балластная нагрузка.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что для повышения энергетической эффективности ВДЭС необходимо тщательным образом согласовывать установленную мощность ДЭС, ВЭС и АБ с учетом ветровых условий в месте размещения электростанции и прогнозного графика электрических нагрузок, и использовать эффективные алгоритмы управления ее рабочими режимами.

В рамках выполнения работы предложена универсальная обобщенная схема ВДЭС и разработан пакет прикладных программ, позволяющий моделировать рабочие режимы гибридной системы автономного электроснабжения с целью рационального выбора состава оборудования и определения эффективных алгоритмов управления. Разработаны алгоритмы эффективного управления рабочими режимами ВДЭС, обеспечивающие максимальное использование ветрового потенциала и повышение эксплуатационного ресурса основного генерирующего оборудования.

Экономическая эффективность любой электростанции, в том числе и ветро-дизельной, оценивается, прежде всего, по себестоимости вырабатываемой электроэнергии. Основными технико-экономическими показателями элементов энергосистемы, определяющими экономическую эффективность ВДЭС, являются удельные капиталовложения, постоянные эксплуатационные издержки, КПД и срок службы.

Следовательно, для выбора оптимальной системы электроснабжения, построенной на базе ВДЭС, необходима методика и программа расчета ее экономических показателей.

4. Технико-экономическая эффективность гибридных ветродизельных электроэнергетических систем

4.1 Методика оценки эффективности инвестиционных проектов ветродизельных электростанций

Важным аргументом в принятии решения о целесообразности использования ВДЭС является оценка экономической эффективности проекта.

Ветровая энергия представляет один из наиболее дешевых возобновляемых источников энергии. При 30% ежегодном среднем темпе роста в течение последних шести лет, ветроэнергетика является наиболее быстро растущим источником энергии в мире, хотя она все еще обеспечивает малую долю мирового энергоснабжения. Продолжающийся рост технологии значительно подкрепляется ее устойчиво улучшающейся стоимостной конкурентоспособностью.

Экономический потенциал ветровой энергии характеризуется величиной годового поступления электрической энергии от перспективного использования ВЭС, получение которой должно быть экономически оправдано при существующем уровне цен на производство, транспортировку и потребление энергии и топлива, и соблюдение экологических норм в децентрализованных зонах.

Основной подход к расчету экономических параметров установок возобновляемых источников энергии заключается в определении эффективности этих установок в современных рыночных условиях и конкуренции со стороны станций, работающих на органическом топливе.

На рисунке 4.1 представлена предлагаемая блок-схема расчета оценки экономической эффективности применения ВЭУ в системах автономного электроснабжения.

Предлагаемая методика дает возможность выбрать и оценить с технико-экономической точки зрения наиболее эффективный вариант автономного электроснабжения с использованием ВЭС.

Основным условием построения рациональной системы электроснабжения является надежное покрытие графиков электрических нагрузок потребителя. Предлагаемая схема расчета предусматривает три основных варианта использования основного энергетического оборудования в зависимости от имеющегося ветрового потенциала.

Первый вариант построения электростанции можно использовать в энергетических системах, где вырабатываемая ВЭС энергия полностью покрывает график нагрузки потребления. Но и в таких системах возможны временные интервалы, обусловленные малыми ветрами или безветрием, что может вызвать перерывы в электроснабжении потребителей. Соответственно, данная модель энергоснабжения подходит для потребителя некритичного к отключениям электрической энергии.

В качестве критериев оценки используются следующие показатели эффективности: чистый денежный поток (ЧДП); чистый дисконтированный доход (ЧДД); внутренняя норма доходности (ВНД); период возврата капитала, или дисконтированный срок окупаемости (ДСО). Используемые в расчетах критерии оценки приняты в соответствии с методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов [39].

Основную долю капитальных затрат на ВЭУ малой мощности составляет стоимость самой энергоустановки і^вэу* Сопутствующие капитальные затраты Клоп, связанные с транспортировкой, монтажными, пуско-наладочными работами и т.п., можно приближенно определить в процентном отношении от общих капитальных затрат.

Типовая структура общих капитальных затрат на ВЭУ малой мощности приведена на рис,

В большинстве практических случаев малая ВЭУ вводится в эксплуатацию за время меньше одного календарного года, соответственно, первоначальные вложения в проект равны сумме капитальных затрат:

Значение ставки дисконтирования к, при которой ЧДД обращается в нуль, позволяет определить внутреннюю норму прибыли, т.е. максимальной ставки платы за привлекаемые источники финансирования, при которой инвестиционный проект остается безубыточным.

Заключительным этапом экономических расчетов является вычисление дисконтированного срока окупаемости капитальных вложений (ДСО). Этот экономический показатель определяется по графику ЧДЦ =J(t) и позволяет установить период времени, в течение которого инвестор накапливает денежные средства для инвестирования равные по своей величине первоначальным капиталовложениям.

К особенностям автономных потребителей относятся: специфические резкопеременные графики нагрузок; соизмеримость мощностей отдельных потребителей с мощностью источника, и как следствие, динамические нагрузки на источник; наличие особой группы электроприемников первой категории, не допускающих перерывов в электроснабжении; высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.

Простейшие автономные ВЭС без накопителей энергии могут применяться только для потребителей, не требующих непрерывного поступления и высокого качества электроэнергии.

Второй вариант построения электростанции предлагается, при условии, если вырабатываемой ВЭС энергии недостаточно, т.е. необходимо применение аккумуляторов, емкость которых определяется недостатком вырабатываемой энергии. В данной работе представлена модель, которая позволяет определить вырабатываемую энергию с почасовой дискретизацией, а также представлена методика определения нагрузки потребления на каждый час. Недостаток энергии определяется за наибольшее время, когда вырабатываемая ВЭС энергия не покрывает нагрузку потребления.

Так как аккумулятор не может разряжаться полностью, необходимо, что бы в нем оставалось 30% энергии от полного заряда, согласно техническим характеристикам АБ (глава 2.4) настоящей работы.

Необходимое количество аккумуляторов пАь согласно условию (4.7) определяется по формуле:

Для обеспечения требуемой мощности заряда, рассчитанного количества аккумуляторов необходимо выполнение условия, согласно техническим характеристикам АБ (глава 2.4) настоящей работы, так как многоэтапный заряд не должен превышать 10%.

В случаях, когда вырабатываемая системой ВЭС+АБ энергия не покроет график нагрузки потребления, или потребуется большое количество аккумуляторов для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя электроэнергией, тогда необходимо применение в системе дублирующего устройства ДЭС.

Наиболее распространенным вариантом бесперебойного электроснабжения автономного потребителя является применение ВДЭС. Для расчета экономической эффективности ВДЭС необходимо, как и в предыдущем варианте построения системы электроснабжения, рассчитать оптимальное количество аккумуляторных батарей и выбрать ДЭС.

ДЭС выбирается по графику нагрузки, т.е. берется пиковая точка в типовом графике нагрузки с учетом перегрузок. Следует заметить, что система будет экономически эффективна при наименьшем расходе топлива. Известно, что ДЭС расходует минимальное удельное количество топлива в номинальном режиме. Таким образом, количество аккумуляторных батарей выбирается в соответствии с условием работы ДЭС в номинальном режиме, а также с учетом экономических факторов (т.е. стоимости АБ, и всех компонентов системы в целом).

Выбор рациональных параметров электростанции зависит от множества технических и экономических факторов (рис. 4.1):

1. Технические факторы: скорость ветра; нагрузка потребления; мощность ВЭС.

2. Экономические факторы: цена дизельного топлива; цена АБ; цена ВЭС, стоимость ДЭС.

Для расчета экономических показателей необходимо определить инвестиционные расходы, в которые входят следующие затраты:

1. Затраты на приобретение ВЭС;

2. Затраты на приобретение ДЭС и ГСМ;

3. Затраты на приобретение АБ;

4. Прочие затраты, составляющие около 25% от инвестиционных расходов, в которые входят: технико-экономическое обеспечение; разработка проекта; инженерные работы; транспортные расходы; обучение персонала и сдача в эксплуатацию; прочие расходы.

Рассчитанная таким образом цена 1 кВт-ч электроэнергии не включает прибавочную стоимость, т.е. в ней не заложена прибыль.

Для расчета основных экономических показателей применения ВДЭС необходимо определить амортизационные отчисления, сложность расчета которых заключается в том, что у каждого компонента системы установлен свой определенный срок службы. Например, максимальный срок службы ВЭС составляет 15-20 лет, срок службы АБ равен 12 лет, а у большинства ДЭС эксплуатационный ресурс менее 6 лет.

В большинстве практических случаев система ВДЭС вводится в эксплуатацию за время меньше одного календарного года, соответственно, первоначальные вложения в проект равны сумме капитальных затрат:

Принятие решений по сооружению ВЭС должно основываться на объективной методике оценки ее эффективности, комплексно учитывающей новые возможности ВЭС, а также всю совокупность влияющих факторов.

По предложенной методике необходимо рассчитать экономическую эффективность для каждого варианта автономной системы электроснабжения на конкретном примере.

4.2 Оптимизация технико-экономических характеристик автономной ветродизельной системы электроснабжения

Использование ВЭС в автономных системах электроснабжения потенциально дает экономию затрат на топливо, экономию финансовых затрат на транспортировку и хранение топлива. Поэтому, выбрав по описанной выше методике ВЭС, необходимо провести оценку экономической эффективности ее применения для определенного населенного пункта, а также выбрать экономически эффективную автономную систему энергоснабжения.

Проиллюстрируем использование предлагаемой методики на конкретном примере выбора ВЭС для электроснабжения небольшого производственного объекта.

Среднегодовое энергопотребление объекта оценивается в ^потр~49941 кВт*ч, себестоимость 1 кВт*ч электроэнергии принята в расчетах СкВтч=18,0 руб., что соответствует уровню 2009 года в рассматриваемом регионе [5].

Для тестирования метода использован модельный ряд ветротурбин мощностью от 1 до 50 кВт производителя Мицуко LTD, на сайте которого представлены их основные технические характеристики. Данный тип ВЭС выбирается для энергоснабжения небольшого населенного пункта.

Стоимость полнокомплектной ВЭУ мощностью 50 кВт составляет 3480,0 тыс. рублей, общие капитальные вложения оцениваются в 9788,8 тыс. руб. Экономические расчеты показывают, что при принятых исходных данных, максимальная ставка дисконтирования, при которой проект остается безубыточным, составляет 17%.

На рис. представлена расчетная зависимость чистого дисконтированного дохода от срока реализации проекта (t) при ставке дисконтирования к= 10%. Из графика следует, что дисконтированный срок окупаемости инвестиционного проекта внедрения ВЭУ составляет 11 лет.

Для определения рациональной системы обеспечения автономного потребителя электроэнергией было проведено исследование ветрового потенциала на основе метеоданных по Республике Саха (Якутия). Так как ветровой потенциал на данной территории мал, чтобы полностью обеспечить потребителей электроэнергией, необходимо применение комбинированных (гибридных) систем, таких как ВЭС в сочетании с аккумуляторными батареями (ВЭС+АБ). Исследование показало, что при больших нагрузках данная система не эффективна, так как требуется большое количество АБ, что делает систему дорогой и нереально большой по объему. Метеоданные показали, что существуют промежутки времени, когда ветрового потенциала недостаточно для обеспечения нагрузки потребления, наибольший недостаток составил 818,973 кВт*ч за 213 часов. Покрыть недостаток можно применив аккумуляторы, для определения количества, которых должно выполняться условие.

Емкость одного аккумулятора (САБ) равна 200 Ач (характеристики АБ таб. 4.3.); напряжение (U) 12 В (характеристики АБ таб. 4.4.).

Определим пАБ - количество аккумуляторов согласно условию (4.7) по формуле (4.9):

Для обеспечения зарядом рассчитанного выше количества аккумуляторов необходимо выполнение условия (4.10):

Таким образом, для обеспечения нагрузки пребления необходимо 444 аккумулятора и ВЭУ с мощностью 110 кВт.

Исходными данными, которые требуются для выбора ВЭУ, являются общее годовое количество электроэнергии, потребляемое объектом электроснабжения Р?потр и среднегодовая скорость ветра Vcp в предполагаемом месте установки электростанции.

В работе использованы ВЭУ одного производителя, с техническими характеристиками, представленными в таблице'

Характеристики ДЭС представлены на сайте ООО «Энергопром» [45], характеристики аккумуляторов в таблице 4.3 (671.

Используя выше описанную методику, проводились расчеты оценки экономической эффективности различных вариантов автономных энергетических систем, результаты расчетов представлены в виде графиков.

На рисунке приведен пример выбора оптимального варианта ВЭС при различной стоимости дизельного топлива. Так при стоимости топлива 35 и 45 рублей за литр оптимальным вариантом будет выбор ВЭС мощностью 30 кВт, при стоимости топлива 60 рублей эффективнее использовать ВЭС мощностью 50 кВт.

На рисунке показано снижение общего расхода топлива при увеличении мощности ВЭС.

Из графика следует, что при работе только ДЭС за год расходуется 18135 литров дизельного топлива, при использовании системы ДЭС+ВЭС 30кВт за год тратится 9145 литров дизельного топлива, когда используется ДЭС+ВЭС 50 кВт за год расход топлива снижается до 7140 литров.

Работа системы ДЭС+ВЭС, с точки зрения надежности, невозможна без аккумуляторов, так как при резком изменении скорости ветра, и нагрузки так же изменяется режим работы ДЭС. Следовательно, необходимо использование аккумуляторов в системе, так как это позволит:

1) Эксплуатировать ДЭС в номинальном режиме, что существенно экономит топливо.

2) Аккумуляторы сохраняют излишки энергии, вырабатываемой ВЭС.

Результат выбора аккумуляторов представлен на рисунке.

Из рисунка следует, что оптимальное количество аккумуляторов для ВЭУ мощностью 30 кВт и стоимости топлива 35 рублей составляет 30 штук, при повышении стоимости топлива до 45 рублей количество аккумуляторов составляет 40 штук (рис. 4. 5,6). В системе ВЭС 50 кВт и стоимостью дизельного топлива 60 рублей за литр количество аккумуляторов возрастает до 50 штук.

Из графика (рис. 4.6) видно, что расход топлива существенно снижается при увеличении количества аккумуляторов.

С помощью разработанной программы были рассчитаны оптимальные варианты построения ВДЭС для электроснабжения одного и того же модельного автономного объекта.

В выполненных расчетах общий объем электропотребления принят за постоянную величину равную 36940 кВт*ч (годовая нагрузка). Как видно из таблицы 4.4, каждому поселку соответствует своя скорость ветра, которая изменяется от 2,3 м/с до 5,90 м/с. Цена дизельного топлива изменяется в зависимости от места установки В ДЭС, т.е. зависит от затрат на транспортировку топлива и т.д. В нашем случае цена варьировалась от 35 руб. литр до 60 руб. литр.

Результатами расчетов стали следующие показатели:

Как видно из графиков при повышении стоимости топлива изменяется оптимальный вариант состава ВДЭС.

В ходе исследования стояла задача найти зависимость между средней скоростью ветра и оптимальным вариантом мощности ВЭС, но расчеты показали, что прямой зависимости нет, т.к. важную роль играет распределение скорости ветра. Следовательно, для выбора оптимального варианта построения ВДЭС необходимо проведение предварительных расчетов, которые можно выполнить по предложенной методике.

Для расчета оценки экономической эффективности необходимо рассчитать амортизационные отчисления, которые зависят от срока службы оборудования. Расчеты производятся по формулам (4.15) - (4.21). Инвестиционные вложения для каждого варианта системы автономного электроснабжения на базе ВДЭС определяются по формулам (4.23) - (4.26).

В данной методике выбора системы автономного энергоснабжения рассчитываются следующие основные экономические показатели: чистый дисконтированный доход и срок окупаемости проекта.

Результаты расчетов представлены в виде графиков рис. 4.8.

Из рисунка видно, что при стоимости 1 кВт*ч электроэнергии 15. и стоимости дизельного топлива 35 /литр, варианты построения системы электроснабжения на базе ДЭС, ДЭС+ВЭС 30кВт, ДЭС+ВЭУ ЗОкВт+ЗОАБ окупятся примерно за одно время, через 11 - 11.3 лет, но прибыль, полученная от каждой системы, будет разной. Так от системы ДЭС+ВЭУ ЗОкВт+ЗОАБ прибыль будет выше.

Рисунок иллюстрирует оптимальный вариант выбора ВЭУ для различных поселков с экономической точки зрения.

В результате исследования разработана автоматизированная методика выбора оптимальной системы автономного электроснабжения с технико-экономической точки зрения, которая позволяет рассчитать основные показатели экономической эффективности, такие как чистый дисконтированный доход и срок окупаемости проекта.

4.3 Моделирование гибридной системы электроснабжения с целью рационального выбора состава оборудования и режимов его работы

Вопросы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуальны для всех стран мира в силу различных обстоятельств. Эффективность любого проекта, связанного с ВИЭ во многом определяется правильным выбором способа и источника энергоснабжения. Для неподготовленного и слабо информированного пользователя принятие оптимального решения в таких ситуациях является сложной задачей. В настоящее время для выбора энергоснабжения на базе ВИЭ разработан ряд программных продуктов, таких как: «Нотег» производства США; «RETScreen» Канада, которые позволяют провести предварительный технико-экономический анализ целесообразности реализации потенциальных проектов. В РК разработана методика под руководством Николаева В.Г., основу которой составляют базы данных «Флюгер» (ветро-климатические данные); «Фаэтон» (актинометрические данные). Перечисленные программные продукты зарубежных производителей не адаптированы для использования в РК, т.к. в них нет ветро-климатических данных по малонаселенным пунктам. Методика Николаева В.Г. рассчитана в основном на сетевые ВЭС.

Предлагаемая методика основана на Excel программном решении для анализа проектов автономного энергоснабжения с использованием систем ВДЭС. Задачей исследования было создание программного средства доступного и удобного для широкого круга пользователей. Microsoft Excel входит в состав Microsoft Office и на сегодняшний день Excel является одним из наиболее популярных приложений в мире. Приложение Microsoft Excel дает возможность анализа данных, а также управления и обмена ими, что позволяет принимать более правильные и обоснованные решения. С помощью предложенной методики можно быстро провести техническую и финансовую оценку автономных ВДЭС, а также их энергетическую эффективность.

Разработанный автором программой продукт «Выбор ВДЭС» может использоваться в качестве индивидуальной программы расчетов автономных систем электроснабжения на базе ВЭС для различных пользователей. Можно также отметить, что компьютерная модель анализа, реализованная в программе, является инструментом практического моделирования процессов для системы ВДЭС.

В программе реализованы следующие функции:

1. Расчет общегодовой нагрузки потребления и определение суточного графика нагрузки производятся на основе вводимых пользователем данных: численность населения, количество и тип социальных объектов.

2. Расчет среднегодовой скорости ветра по климатическим данным метеосайтов.

3. Выбор диаметра ветротурбины ВЭУ по рассчитанным показателям нагрузки и скорости ветра, согласно алгоритму пункт 2.3 настоящей работы.

4. Расчет вырабатываемой энергии по реальным метеоданным и техническим характеристикам ВЭУ.

5. Выбор ДЭС по рассчитанному максимуму нагрузки потребления.

6. Определение оптимального количества аккумуляторов.

7. Определение экономической эффективности выбранной системы ВДЭС, расчет экономии топлива, срока окупаемости, чистого дисконтированного дохода.

Программа имитирует работу ВДЭС на автономного потребителя на основании предложенного автором алгоритма (пункт 3.2 настоящей работы).

Информационное обеспечение программы включает в себя базу данных (БД) технологического назначения:

- каталог ветрогенераторов с техническими и экономическими характеристиками;

- каталог ДЭС с техническими и экономическими характеристиками. Для удобства пользователей программы результаты расчетов представлены в виде сводных таблиц и графиков: определения оптимального количества аккумуляторов; количество рабочих часов ДЭС; годовой расход топлива; количество циклов заряд / разряд аккумуляторов

Результаты расчетов экономической эффективности использования системы ВДЭС для децентрализованного электроснабжения также представлены в виде таблиц и графиков: расчет затрат, определение срока окупаемости проекта, определение прибыли от внедрения проекта и т.д.

Таким образом, в результате проведенных автором исследований была создана программа на базе приложения Excel, позволяющая выбрать оптимальную ВДЭС для электроснабжения децентрализованного потребителя, рассчитать ее режимы работы и провести экономический анализ применения данной системы.

Преимущества предлагаемого программного продукта состоят в том, что в нем используются фактические метеоданные о скоростях ветра за длительный период наблюдений, расчет ветрового потенциала производится по разработанным автором математическим моделям с почасовой дискретизацией, что обеспечивает получение более точных результатов.

В результате выполненного с помощью предлагаемой программы технико-экономического анализа формируется готовое техническое решение по построению ВДЭС. Из имеющейся БД программы пользователь может выбрать рекомендуемые энергетические установки: ВЭУ и ДЭС, получить контактную информацию об их производителях, стоимости, способах доставки и т.д. Основные экономические характеристики проекта позволяют оценить заказчику объем финансовых затрат и стоимость производимой энергии.

4.4 Выводы

Проведенные в работе исследования доказывают, что технико-экономическая эффективность системы автономного электроснабжения на базе ВДЭС зависит от многих противоречивых факторов: ветроэнергетического потенциала; нагрузки потребления; места расположения электростанции; стоимости топлива и капитальных затрат на основное энергетическое оборудование: ВЭС, ДЭС, АБ.

Прямой аналитический учет этих факторов крайне сложен, поэтому достоверная технико-экономическая оценка применения ВДЭС в системах автономного электроснабжения потребителей может быть выполнена только на основе анализа ее энергетических характеристик, полученных по результатам моделирования рабочих режимов автономной энергетической системы за длительный период времени (как правило, год).

Учитывая выше перечисленные факторы, в диссертации разработана оригинальная методика выбора рациональной системы электроснабжения с точки зрения ее экономической эффективности. В методике рассмотрены различные варианты комплектации систем на базе ВДЭС, предусматривается расчет выбора оптимального количества аккумуляторных батарей, выбор мощности ДЭС, а также расчет затрат на инвестиционные расходы. В результате рассчитываются основные экономические показатели эффективности применения представленных систем автономного электроснабжения, такие как ЧДД и срок окупаемости инвестиционного проекта.

В результате проведенных исследований создан простой и удобный для пользователя инструмент технико-экономической оценки инвестиционных проектов по применению ветро-дизельных электроэнергетических систем малой мощности. Методика может быть полезна для большого круга потребителей, рассматривающих возможность практического применения установок малой энергетики в целях электроснабжения.

Алгоритм расчета полностью автоматизирован средствами популярного табличного процессора MS Excel, что обеспечивает пользователю простую и комфортную работу с методикой.

Заключение

Основные результаты проведенных в дипломной работе исследований, направленных на повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электроэнергетических систем заключаются в следующем:

1. Проведен анализ децентрализованной энергетики, основу которой составляют дизельные электростанции. Выявлены негативные факторы, влияющие на надежность автономного электроснабжения потребителей, определяющие низкие технические показатели и экономические характеристики ДЭС. Определены основные направления повышения эффективности автономных электростанций с помощью возобновляемой энергетики.

2. Проанализированы варианты построения гибридных систем электроснабжения на базе ВДЭС, определена перспективная структурная схема построения ветро-дизельной электроэнергетической системы для автономного электроснабжения.

3. Проведен анализ методов определения основных энергетических параметров систем автономного электроснабжения с использованием ВЭС: ветроэнергетического потенциала и нагрузки потребления, определяющих выбор основных компонентов изолированной энергетической системы. Разработаны математические модели и предложена методика определения вырабатываемой энергии ВДЭС с учетом реальных характеристик ветро-дизельной установки, и универсальная методика определения нагрузки электропотребления.

4. Разработаны эффективные алгоритмы управления режимами работы ветро-дизельных электроэнергетических систем для автономного электроснабжения, позволяющие: максимально использовать потенциал ветра; обеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭС; повысить эксплуатационный ресурс оборудования.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены