Оценка эффективности применения ветроэнергетических установок для объектов ограниченной мощности

УДК 355.7:621.311.26

Белов О. Е., Сухарь Г.А., Саенко С.С. Belov O.E., Suchar G.A., Saenko S.S.

Оценка эффективности применения ветроэнергетических установок для объектов

ограниченной мощности Evaluation of the effectiveness of the wind-driven electric plant use for power limited objects

Аннотация: Приведен анализ современного положения дел в применении ветроэнергетических и дизельных электроустановок в России. Дано обоснование проблемы определения эффективности применения комбинированных ветродизельных электростанций (ВДЭС) в интересах объектов малой мощности Министерства обороны Российской Федерации (МО РФ). Подробно изложена методика, позволяющая определять границы экономической эффективности применения ВДЭС с учётом укрупнённых технико-экономических и физических (ветровых) показателей. Рассмотрен пример, в котором эти границы определены по критерию срока окупаемости.

Изложенный подход может быть применён на стадии принятия «Общего решения» для технико-экономического обоснования применения ВДЭС в конкретных условиях работы объектов малой мощности МО РФ.

Abstract: This paper outlines the materials dedicated to the contemporary situation in the application of wind- and diesel- driven electric plants in Russia. The substantiation of the problem of determining the effectiveness of combined wind- and diesel-driven power plants for power limited objects are given. Detailed methodology of defining the frames of economic efficiency of wind-driven electrical power plants is presented with consolidated technical-economic and physical (wind) indicators. An example where these frames are defined by the criterion of payback period is given.

The described approach can be applied in the process of adopting a "common solution" to the feasibility of wind- and diesel-driven power plants under specific conditions of power limited objects of the Defense Ministry of the Russian Federation.

Ключевые слова: комбинированные ветродизельные электростанции, технико-экономическое обоснование, срок окупаемости.

Keywords: combined wind- and diesel-driven power plants, feasibility study, payback period.

В интересах объектов МО РФ малой (ограниченной) мощности, учитывая специфику и особенности их электроснабжения, дизель-электрические установки (ДЭУ), находят самое активное применение. Более 98% существующих изолированных от энергосистемы страны электроустановок объектов МО РФ малой мощности, используют в качестве базового (рабочего) источника электроэнергии именно ДЭУ.

Главными недостатками ДЭС являются высокая стоимость топлива и ограниченный по сравнению с традиционными электростанциями срок службы (ресурс). В среднем можно считать, что стоимость дизельного топлива на порядок выше стоимости угля, примерно в 6...7 раз выше стоимости природного газа и вдвое больше стоимости топочного мазута, применяемых на электростанциях централизованных систем электроснабжения.

Учитывая высокий ветровой потенциал России и особенности ветроэнергетических и дизельных электроэнергетических установок, есть необходимость рассматривать вопрос об их комбинации. Особенно это актуально для районов, удалённых от существующих энергосистем и имеющих соответствующий ветроэнергетический потенциал (находящихся в энергетических

29

ветровых зонах). Особенно важно то, что именно в таких зонах выполняют свои задачи объекты МО РФ. Для таких зон (районов) может оказаться эффективным применение комбинированных ветродизельных электростанций (ВДЭС), состоящих из ВЭУ и ДЭУ соизмеримой мощности, соответствующих систем коммутации и управления (рис. 1).

Работа ВЭУ в диапазоне расчетных скоростей ветра позволит сэкономить топливо, моторесурс ДЭУ и улучшит экологическую обстановку в районе объекта. Однако капиталовложения в ВДЭС будут существенно выше, чем для отдельной ДЭУ.

Комбинация ВЭУ и ДЭУ будет экономически оправдана в том случае, если расчетные затраты на ВЭУ будут сопоставимы со стоимостью сэкономленного топлива и моторесурса ДЭС. Чем больше часов в году работает ВЭУ, тем больше экономия топлива ДЭС и тем меньше расходы на ее ремонт. Чем дороже сэкономленное топливо (включая и расходы на его транспорт), чем дороже организация ремонта и замены ДЭУ (например, вследствие удаленности объекта от ремонтных баз), тем эффективнее совместная работа ВЭУ и ДЭУ.

УД УД

X X XX

МН

Тр2

£ С С

ИВ Щ СГО АГ АБ 5 Д Пвэу

Тр1

МН

* I I

С С С

СГ Щ ИВ

Д Н аб

Рис. 1. Обобщенная схема ветродизельной электростанции:

ВЭУ — ветроэлектрическая установка; АГ — асинхронный генератор; Д — дизель; СГ — синхронный генератор; ИВ — инвертор; АБ — аккумуляторная батарея; Тр1 и Тр2 - трансформаторы; МН - местная нагрузка; УД - удаленная нагрузка

Для обоснования применения комбинированных электростанций (ВЭУ + ДЭС) необходимо убедится в их экономической эффективности.

Критерием экономической эффективности любой энергетической установки, как правило, является минимальные приведённые затраты, которые состоят из прямых (капитальных) затрат на её сооружение и последующих затрат на её эксплуатацию.

Основные элементы, которые определяют стоимость энергоустановки (ВЭУ), - это ветроагрегат (ВА), инвертор и аккумуляторная батарея (АБ).

В качестве замещающей ВЭУ энергетической установки принимается дизель-генераторная установка (ДЭС). Технико-экономические показатели для современных ДЭС приведены в [1]. При подборе установленной мощности ДЭС следует принимать ее всегда несколько выше установленной мощности ВЭУ и учитывать при этом фактическое время работы ДЭС. При наличии ВЭУ общее время работы дизель-генераторной установки обычно составляет около15% [2, с. 35-39] в течение года.

Остановимся более подробно на вопросе обоснования установленной мощности ВЭУ в качестве главного ее энергетического показателя.

На ветроколесо ВЭУ воздействует ветровой поток, обладающей кинетической энергией. При этом часть кинетической энергии ветрового потока передается ВК . Исходя из очевидных физических

представлений, была получена следующая расчетная формула для вычисления мощности ветрового потока [3, 4]:

РрУъ.

N = FPV-;

где F - площадь поперечного сечения ветрового потока, м2;

р - плотность воздуха, в обычных условиях 1,225 кг/м3;

V - скорость ветра, м/с.

Мощность ветрового потока, переданная ВК, находится по формуле:

N = CpNo

где C - коэффициент мощности или коэффициент использования ВК энергии ветрового

потока, в зависимости от конструктивного выполнения ВК.

Следует иметь в виду, что при оценке суммарной мощности ветрового потока за длительный промежуток времени, например, за год нельзя непосредственно пользоваться средними значениями скорости ветра за тот же период времени, так как существенное значение имеет фактическое распределение скоростей ветра по сравнению с их средней величиной. Так, например, согласно анализу многочисленных данных метеорологических наблюдений фактическое распределение скоростей ветра может быть описано одним из известных в математической статистике законов распределения случайной величины, например, можно использовать распределение Релея или распределение, в [5] рекомендуется использовать распределение Вейбулла. С другой стороны, нельзя забывать и о том, что мощность ветрового потока зависит от куба скорости ветра, что самым существенным образом сказывается на энергетических показателях ветрового потока (например, при увеличении скорости ветра до 5-6 м/с производство энергии возрастает более, чем в 1,7 раза).

Учитывая эти обстоятельства для практических расчетов, если известна среднегодовая скорость ветра (V ), рекомендуется следующая формула [6], в которой учтен соответствующий повышающий коэффициент:

N = 1 17F - V 3

N0 1,1I10 V ср

Современные ВЭУ в соответствие с физическими представлениями о преобр ш энергии

ветрового потока в энергию вращения ВК изначально могут использовать только часть ветровой энергии (критерий Бетца, около 0,59 от общей энергии). Кроме этого, надо учитывать и конструктивное исполнение ВЭУ, что сказывается, например, на величине начальной (стартовой) скорости ветра (обычно 3-4 м/с), при которой ВК начинает вращаться и соответственно ВА начинает вырабатывать электроэнергию. Поэтому в формулу для расчета средней развиваемой мощности ВЭУ вводится некий понижающий коэффициент, с помощью которого учитываются главные факторы, определяющие фактическую мощность ВЭУ.

В общем случае для расчета мощности ВЭУ с учетом места подключения установки к энергосети изолированного потребителя можно воспользоваться следующей формулой:

NB3V = cpyNo = C^-n^M^No

где пг - КПД генератора; ^

Пр - КПД редуктора;

Пж - КПД аккумуляторной батареи (АБ);

Пин - КПД инвертора;

ПКаб - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в кабеле подводе от ВА к электросети потребителя;

N - как и ранее, мощность ветрового потока, формула (3).

В общем случае количество электроэнергии, вырабатываемой ВА, зависит от КПД генератора и редуктора, а при определении количества электроэнергии, подаваемой потребителю от ВЭУ, следует учитывать также потери энергии в подводящем кабеле, инверторе и аккумуляторной батарее (АБ).

С учетом названных факторов в практических расчетах может снизиться до 0,25 [4]. Таким образом, среднюю развиваемую мощность ВЭУ, отвечающую запросам потребителя, рекомендуется рассчитывать по формуле:

МВЭУ = Х11СВЭУр у з

IV П 1,1'Ср 1 ВКу ср

где Рвк - площадь ветрового потока, «ометаемая» ВК;

V - средняя скорость ветра за расчетный период, м/с (определяется географическим

положением места установки ВЭУ).

Мощность обычно существенно отличается от так называемой установленной мощности ВЭУ (). Под установленной мощностью обычно понимается номинал (6) мощность,

обеспечиваемая генератором ВА при некоторой расчетной скорости ветра (для современных ВЭУ ). Поэтому в соответствии с формулами (1) и (3) для вычисления установленной мощности ВЭУ (номинальной мощности генератора) следует использовать зависимость:

кэу=0,5 рсрЛЛр ГВКУ;

Установленная мощность или номинальная мощность, обеспечиваемая генератором, вычисляется для того, чтобы в соответствие с полученным результатом подобрать марку ВЭУ, которая выпускается промышленностью [1].

Следует отметить, что в отличие от энергоустановок, использующих традиционное углеводородное топливо, в случае выработки электроэнергии от ВЭУ, в перечень энергетических показателей входят параметры, характеризующие экологическую составляющую работы таких установок, т.е. количественную оценку сэкономленного органического топлива и объем предотвращенной эмиссии углекислого газа.

В случае энергоснабжения изолированного от государственной энергосистемы потребителя, типичной является ситуация, когда заранее известно количество электрической энергии, которую необходимо поставить объекту в течение заданного отрезка времени, например, в течение года.

Потребность в электроэнергии может количественно выражаться в тысячах, десятках или в сотнях тысяч киловатт-часов в год. Такое количество электроэнергии способна дать одна ветроэнергетическая установка (ВЭУ) малой мощности (или несколько). Например, ВЭУ мощностью 50 кВт (или 10 таких установок мощностью 5 кВт) при типичном для этого класса агрегатов коэффициенте использования установленной мощности 0,2-0,3 за год в состоянии обеспечить потребителя электроэнергией в размере до 80-130 тыс. кВт'час в год, что вполне достаточно для обеспечения энергией небольшого военного городка (или другого военного объекта).

Тем самым возникает задача определения энергетических параметров ВЭУ с соответствующим технико-экономическим обоснованием принимаемых решений, когда годовая потребность в электроэнергии известна.

Следовательно, в качестве исходной информации служат сведения о необходимом для поставки потребителю количестве электрической энергии за определенный период времени ЕВУ (например, за год).

Кроме этого, считается известной расчетная скорость ветра V , которая для конкретной

местности может быть установлена на основании данных многолетних метеорологических наблюдений [1].

Этой информации достаточно, чтобы определить установленную мощность ВЭУ, диаметр ВК и высоту башни ВА и другие параметры ВЭУ. Затем на основании полученной информации подбирается марка дизельной электростанции (ДЭС) и устанавливаются ее основные технико-экономические показатели. Далее выполняется оценка эффективности инвестиций в создание комбинированной ветроэлектрической системы ВЭУ(+ДЭС).

В качестве альтернативного источника энергии рассматривается энергоустановка с аналогичными энергетическими характеристиками (по мощности и количеству вырабатываемой электроэнергии), работающая на углеводородном топливе (например, паротурбинная тепловая электростанция (ТЭС)).

Так как мощность ТЭС (даже относительно малой мощности) обычно превосходит потребности изолированного объекта, для сопоставимости результатов технико-экономических расчетов условно принимается, что в расчетах можно учитывать лишь ту часть энергии, которая поступает от ТЭС непосредственно для покрытия нужд изолированного объекта.

Такой подход обеспечивает сопоставимость различных видов энергоустановок при выполнении расчетов сравнительной экономической эффективности их устройства для целей энергоснабжения объекта.

В связи с этим ниже дается обоснование и порядок расчета основных энергетических и конструктивных параметров ВЭУ (+ДЭС) с оценкой экономической эффективности устройства такой комбинированной установки в сравнении с традиционной установкой.

Оценка экономической эффективности использования ВЭУ (+ДЭС) как источника электроснабжения изолированного потребителя основана на статическом методе, широко применяемом при оценке эффективности инвестиционных проектов [7, 8]. При этом используется статический метод оценки эффективности инвестиций, что имеет свои основания ввиду ограничения по времени подготовки строительных площадок, монтажа и ввода в эксплуатацию ВЭУ (менее года).

Конечная цель экономической оценки - обоснованный выбор наиболее эффективной с точки зрения технико-экономических показателей энергетической установки. Именно для этого выполняется расчет ряда количественных показателей, характеризующих эффективность устройства комбинированной ветроэнергетической системы в составе ВЭУ и дизель-генераторной установки для целей бесперебойного обеспечения электрической энергией изолированного от Государственной энергосистемы военного объекта.

При статическом методе оценки эффективности инвестиций главными экономическими показателями являются:

грВЭУ

- ОК - расчетный срок окупаемости капитальных вложений в устройство конкретной энергетической установки;

Г^ПР

- ОК - нормативный срок окупаемости инвестиций , причем первый не доложен превышать нормативное значение.

Нормативный срок окупаемости инвестиций связан с так называемым нормативным коэффициентом эффективности капитальных вложений п . Они обратно пропорциональны друг другу:

ТПР =1

ТОК V V

п

Для энергетики, в соответствии со сложившейся традицией, принимается п ~ 0,12 .

Срок окупаемости капитальных вложений вычисляется как отношение общих капитальных вложений в энергоустановку к расчетному годовому экономическому эффекту ее работы.

В рассматриваемом случае общие капитальные вложения складываются из двух составляю щих:

- капитальные вложения в устройство ВЭУ ( X КВЭУ );

- затраты на приобретение ДЭС (КДЭС).

^ квэу=квэуКДэс

Капитальные вложения в устройство ВЭУ вычисляются как произведение удельных капитальных вложений в 1 кВт установленной мощности ВЭУ К^эу и собственно установленной

мощности ВЭУ NByT.

Суммарный годовой экономический эффект Э^ - представляет собой разницу между

доходами и издержками.

В качестве доходов рассматривается прибыль от поступления платежей за поставленную потребителю электроэнергию EП согласно принятым тарифам КВУ.

Эксплуатационные издержки, связанные с работой ВЭУ ( И^ ), находятся с учетом заданной нормы издержек эксплуатации, которая согласно рекомендациям Минтопэнерго РФ составляет Л = 0,05 [9, с. 113-117].

Для вычисления издержек используется формула:

ттВЭУ 1 т^ВЭУ

ИЭК =Жп

Затем определяются общие эксплуатационные издержки в случае, если ВЭУ дополняется дизель-генераторной установкой:

X Иэк = ИЭВКУ+ИЭЭ

где ИДЭ<С - эксплуатационные издержки за время фактической работы ДЭС. Далее определяется суммарный годовой экономический эффект ( Э^ ) с учетом работы ВЭУ и ДЭС (доход минус издержки):

Эсум = И

Ээф E с X ИЭК

Для ДЭС принимаются и вычисляются следующие технико-экономические показатели [2]:

- капитальные вложения в приобретение ДЭС,( КДЭС);

- стоимость капитального ремонта ( СДЭ );

- стоимость технического обслуживания ( СДЭ<С );

- стоимость ГСМ ( СДЭС );

-общие эксплуатационные издержки для ДЭС:

мДЭС_ гДЭС г ДЭС ГДЭС

ИЭК С рем ^ СТО ^ СГСМ

В заключение находится искомый показатель - срок окупаемости общих капитальных вложений в случае, если ВЭУ дополняется ДЭС:

ВЭУ

V г

ТВЭУ _ X Kn

T .О IT ________'

ОК г^сум

Ээф

Т^ грВЭУ " тПР

Если 10э не превышает нормативный срок 1ок , то рассматриваемый вариант признается экономически целесообразным с точки зрения его реализации.

В противном случае данный вариант требует принятия принципиально новых технических решений.

Вопросы ветроэнергетики широко освещаются в литературе, СМИ, на конференциях, конгрессах и т.д. Необходимо отметить высокий уровень развития ветроэнергетических технологий в мире и наличие возможностей быстрого и эффективного их использования в России. В качестве успешного опыта применения комбинированной ВЭУ можно взять опыт научно-исследовательского института электромеханики (ФГУП НИИЭМ, г. Истра Московской обл.) [10], где завершена разработка, изготовление и государственные испытания двух опытных образцов автономной ветро-дизельной электрической установки ВДЭУ-10, имеющей в своем составе безредукторный ветроэлектрический агрегат ВТН8-10 с синхронным магнитоэлектрическим генератором. Предварительные испытания установок были выполнены на Истринском ветрополигоне ВИЭСХ.

Экспериментальная мощностная характеристика ветроагрегата приведена на рис. 3.

Из ее рассмотрения следует, что расчетная мощность Р = 10 кВт обеспечивается при скорости ветра 10 м/с, что соответствует паспортным данным ветроагрегата. Максимально возможная годовая выработка энергии ветроагрегата ВТН8-10 с приведенной мощностной характеристикой согласно выполненным расчетам составляет 18 870 кВт*ч при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и 37 132 кВт*ч при V = 7 м/с.

Р, кВт

12 -----

€-

I 4 й 8 1С 12 14

V, м/с

Рис. 2. Мощностная характеристика ВТН8-10 в режиме заряда аккумуляторной батареи

Срок окупаемости данной установки будет зависеть от конкретной энергетической ветровой зоны применения установки и стоимости кВт*ч электроэнергии в этой зоне. По расчётам, проведённым с помощью вышеизложенной методики, он может варьироваться.

Например, если рассматриваемая установка будет работать при среднегодовой скорости ветра V = 10 м/с, - срок окупаемости (в современных ценах) будет в пределах 3-х лет.

Если установка будет работать при среднегодовой скорости ветра V =7 м/с - срок

окупаемости будет в пределах 7-и лет.

Нормативный срок окупаемости для энергетических объектов России (в том числе и объектов МО РФ) составляет 8 лет.

Таким образом, предложенная методика позволяет определять границы эффективности применения конкретной комбинированной энергоустановки по укрупнённым экономическим и физическим показателям.

Проведенные расчетные оценки показали, что ВДЭС могут быть эффективными в районах побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океанов. При этом учитывалось, что затраты на топливо при их доставке на удаленные береговые объекты и острова увеличивались в 1,5...3 раза по отношению к отпускной цене.

Следует отметить то, что ВЭУ, надежно работающих в условиях возможного обледенении, мы, к сожалению, пока еще не имеем. Современные тенденции резкого удорожания топлива и транспортных расходов могут существенно расширить зоны экономически целесообразного применения ВДЭС. В пользу ВДЭС действуют и современные тенденции развития ВЭУ, расширяющие зоны расчетных скоростей ветра и увеличивающие число часов использования ВЭУ в году.

Можно сделать следующий вывод: решение о применении ВДЭУ в интересах объектов МО РФ ограниченной мощности, требует тщательных и объективных как тактико-технических (с учётом показателей надёжности), так и технико-экономических обоснований. В противном случае, вместо положительного эффекта, можно получить противоположный результат и тем самым дискредитировать саму идею применения ветроэлектротехники для военных объектов, выполняющих свои задачи на территориях, не охваченных централизованным энергоснабжением.

Список литературы

1. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. ИСЦ. - М, 2001. 62 с.

2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников в России. /Коллектив авторов. - СПб.: Наука, 2002. 314 с.

3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.:

Энергоатомиздат. 1990. 392 с

3. Использование возобновляемых источников энергии в России (Российский Национальный доклад). //Энергия: экономика, техника, экология. 1996. №11. С. 3-11.

4. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов. Косов В.В., Лившиц В Н., Шахназаров А.Г. - М.: НПО Изд-во «Экономика», 2000, 421 с. Изд 2-е.

5. Новый политехнический словарь. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 2000. 671 с.

6. Беляев Ю.М. Концепция альтернативной экологически безопасной энергетики. -Краснодар: «Сов. Кубань». 1998. 64 с. Доклад.

7. Виленский П.Л., Лившиц В.Н., Смолдяк С.А. Оценка эффективности инвестиционных проектов: Теория и практика: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дело, 2002. 888 с

8. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.

280 с.

9. Концепция использования ветровой энергии в России. /Коллектив авторов. - М.: Книга-Пента, 2005. 128 с.

10. Ю. И. Гром, В. А. Захаренко, А. Н. Лазарев, Г. С. Сергеев, ФГУП НИИЭМ,

В. П. Харитонов, ГНУ ВИЭСХ. Новая ветро-дизельная электрическая установка. Энергосбережение

№5'2005.

Исследования и разработки в области эффективности, надежности и боевого использования вооружения и военной техники

Research and development in the field of efficiency, reliability and combat employment of weapons and military equipment

УДК 357.3:621.311.236

Бараш А.Л., Головко К.В. Barash A.L., Golovko K.V.