Системный подход к анализу энергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии

УДК 681.3.069

Н. Д. Шишкин

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

В настоящее время все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения с использованием солнечной энергии, энергии ветра, биогаза и др. [1-3]. Использование таких возобновляемых источников энергии (ВИЭ) отвечает социальным и экологическим требованиям и способствует снижению ее себестоимости [4]. В связи с этим встает вопрос о разработке теоретических основ их оптимизации на основе системного подхода к энергокомплексам с ВИЭ с учетом энергетического, экологического и социального эффектов его применения [5-8].

Целью исследований являлась разработка системного подхода к анализу энергокомплексов с ВИЭ с учетом энергетического и экологического эффектов его применения, а также надежности поступления энергоресурса.

В целях системного подхода к задаче оптимизации и получения универсального и достоверного решения предлагается метод структурирования и оптимизации автономных энергетических комплексов (АЭК) и их отдельных элементов в условиях одновременного использования ВИЭ, первичных топливных энергоресурсов (ТЭР) и вторичных энергоресурсов (ВЭР) [4]. Каждый из выбранных энергоресурсов проходит цепочку «трансформатор - энергопровод -аккумулятор - энергопровод - утилизатор» (Т - Э - А - Э - У). Базируясь на принципах аналогии энергетических систем, системный подход позволяет приводить все децентрализованные системы, независимо от вида используемых в них энергоносителей, к универсальной структуре, описываемой в общем случае одинаковой системой уравнений [7, 8].

Автономные энергетические комплексы с ВИЭ можно представить в виде совокупности систем энергоснабжения у более низкого иерархического уровня, звеньев п, подсистем г, элементов р, объединенных общей целью - обеспечение сберегающего энергоснабжения малых удаленных объектов. Любаяу-я система использует свойу-й энергоресурс и содержит п звеньев. При этом каждое п-е звено включает в себя г подсистем, а каждая г-я подсистема содержит р элементов. Индексы в обозначениях систем у, звеньев п, подсистем г и элементов р показывают (читать слева направо) номер системы у, звена п, подсистемы г и элемента р. В качестве прямой внешней связи в АЭК используется уравнение (1) расчетной цены энергоносителя Суп, комплексно учитывающей затраты энергоресурса Со, критерий потребительской ценности использования энергоресурса р1, зависящий от энергетического фэн и экологического фэк эффектов его применения, критерии надежности р2 и сезонности р3 поступления энергоресурса в течение года, коэффициент удорожания энергоносителя в ¿-м году эксплуатации АЭК:

Суп = Со'Рг

В качестве обратной внешней связи предлагается уравнение на основе коэффициента использования первичной энергии

"Лу ^ ^ ^ {Qn.nz [

где Qn,nz - полезно используемая энергия; Qвnz - расход возобновляемого и вторичного энергоресурса; Цпвпг - КПД использования первичного энергоресурса в г-й подсистеме п-го звена у-й системы; ^пв.пг - параметр, учитывающий снижение расхода первичного энергоносителя в г-й подсистеме п-го звена у-й системы.

Реализация предлагаемой математической модели к любому конкретному объекту на основе использования ВИЭ, а также ТЭР и ВЭР может быть проведена в 4 этапа: структурный анализ, энергетическая оптимизация, термодинамическая оптимизация [3, 4, 9] и, наконец, технико-экономическая оптимизация [3, 4, 7]. Рассмотрим каждый из этапов.

Перебор всех вариантов структурно-морфологических моделей АЭК, учитывающих конструктивные особенности трансформаторов, энергопроводов и утилизаторов энергии, весьма трудоемок и зачастую не дает возможности отдать предпочтение тому или иному варианту [3]. Для сравнительной оценки эффективности вариантов АЭК предлагается представлять их в виде гораздо более простых структурно-функциональных моделей (СФМ), отражающих лишь общую

структуру АЭК и процессы преобразования, транспортировки, аккумулирования и использования энергии. Структурно-функциональные модели АЭК включают в себя участки (энергопроводы) и узлы, которыми являются трансформаторы, аккумуляторы, утилизаторы энергии (энергоиспользующие установки). Таким образом, схема АЭК представляется в виде графа, состоящего из конечного числа вершин (узлов), соединенных между собой ребрами (участками) [3, 4].

Простейшие из графов АЭК и транспонированных графов (учитывающих потери энергии в узлах и ребрах) показаны на рис. 1. Разветвленные графы (рис. 1, а, г) имеют вершины (1-4) и ребра (1-2, 2-3, 3-4), кольцевой граф (рис. 1, б, д) имеет также не менее одного замкнутого контура (1-2-3-4), кольцевой граф с ответвлениями (рис. 1, в, е) - не менее одного ответвления (2-3). По следствию теоремы Эйлера о соотношении ребер Р, вершин М и граней N многогранников количество участков Р, узлов и замкнутых контуров составляет

Р = М + N - 1,

где N - количество замкнутых контуров (колец) энергосистем; М - сумма агрегатов в узлах схемы.

Для разветвленных схем АЭК, т. е. при N = 0, количество энергопроводов

Р = М - 1.

0.2

Л0. >,

0 - г < 0.. г +

\ 1-0- \

о,

о*

0--.,

0ч

о.

к.

д

0^

о -

0 .. 0.

0 '.Л

о.

0.

е

Рис. 1. Графы структурно-функциональных моделей АЭК: а - разветвленный граф; б - кольцевой граф; в - кольцевой граф с ответвлением; транспонированные графы энергопотоков: г - разветвленный граф; д - кольцевой граф; е - кольцевой граф с ответвлением

г

Графы СФМ АЭК дают представление об общей структуре АТК. Они наглядно показывают направления всех энергопотоков (рис. 1, а): потоков энергии, входящих в трансформаторы энергии (61, 62); потоков энергии, входящих в утилизаторы энергии (Q¿^); потоков энергии в энергопроводах ( 613, 623, 634 ); потоков потребляемой энергии, выходящих из утилизаторов энергии ( 6потР ); потоков энергии, теряемой в трансформаторах, аккумуляторах, утилизаторах энергии (А61, Л62, А63, Д64) и потоков энергии, теряемой в энергопроводах (А613, Д623, Д634). Это, в свою очередь, позволяет определить общее количество уравнений, необходимых для описания процессов преобразования, аккумулирования и потребления энергии во всех элементах СФМ АТК.

Предлагаемая математическая модель оптимизации энергопотоков в АЭК [8] включает в себя балансовые уравнения, аналогичные первому закону Кирхгофа:

Е

где 6/п - поток энергии, подходящий к подсистеме; 6/п /п+х) - поток энергии на участке между ближайшими подсистемами; А6/п - потери энергии в данной подсистеме, определяемые по формуле

^6/'п _

где - КПД энергоустановок, зависящий от их типов.

Для замыкания системы уравнений может быть составлено Я эвристических уравнений эквиэкономичности потоков энергии на участках

[

где И, К и Т - соответственно эксплуатационные издержки, капитальные затраты и срок

эксплуатации соответствующих элементов АЭК.

Решение системы уравнений (5)-(7) позволяет рассчитать оптимальное распределение узловых потоков и потерь энергии 6/п и А6/п, обеспечивающее заданное потребление энергии в АЭК.

В качестве примера в таблице приведен оптимальный энергобаланс фермерского хозяйства по откорму 50 голов свиней. Для его энергоснабжения используется энергия солнца, ветра, биогаза, а также первичный энергоноситель - дизтопливо. Структурная схема энергоснабжения включает в себя 14 подсистем и 5 звеньев. За счет использования ВИЭ в этом варианте АЭК экономится 83,5 ТЭР.

Структура оптимального энергобаланса АЭК фермерского хозяйства

Вид энергоресурса Г одовое потребление, Г Дж/год Доля в энергобалансе, %

Солнечная энергия 43,5 8,3

Энергия ветра 140,0 25,8

Биогаз 308,5 49,4

Дизтопливо 280,5 16,5

Всего 772,5 100,0

Для оценки и последующей оптимизации термодинамической эффективности АЭК с несколькими источниками энергии может быть использован эксергетический КПД АЭК, выражающий соотношение между суммарной эксергией, поступающей потребителям, и эксергией энергоисточников. В качестве низкопотенциальных источников теплоты (НИТ) можно использовать трансформаторы ВИЭ, ВЭР, а также тепловые насосы (ТН), которые повышают до приемлемого для потребителей уровня температуру теплоносителей от НИТ. В качестве топливного ИТ может использоваться и биоэнергетическая установка (БЭУ), состоящая из биореактора, биогазо-вого нагревателя (БН) (водогрейный котел, теплогенератор, водонагреватель) и газгольдера.

В качестве примера на рис. 2 приведена обобщенная структурно-расчетная схема АЭК с одним топливным ИТ, п НИТ и двумя потребителями. Все наиболее интересные для практического использования частные случаи АЭК несколькими источниками, использующими ТЭР, ВИЭ, ВЭР, тепловых аккумуляторов и нескольких потребителей тепла можно свести к 30 вариантам АЭК: 8 вариантов с использованием двух типов энергоисточников, 12 вариантов - с тремя типами энергоисточников, 8 вариантов - с четырьмя типами энергоисточников и 2 варианта -с пятью типами энергоисточников [3]. Для использования ТЭР в АЭК могут быть применены газовые водонагреватели (ГВ), для использования ВЭР - утилизаторы тепла (УТ) сточных вод и вентиляционных выбросов, для использования ВИЭ - солнечные нагреватели (СН), ветротеп-логенераторы (ВТ) и БН БЭУ, а также ТН, использующие природные и техногенные НИТ. В качестве потребителей тепловой энергии принимаются системы отопления (СО) и системы горячего водоснабжения (СГВ).

Для этой схемы эксергетический КПД различных вариантов АЭК может быть определен по формуле

т п

(ОЛт 'Лщ + £ р, ЛщО9 П1 + [(1 — а)лТ Ли 2 + £ Р у ЛП/,2)]9П 2

Ст-п =----------------------------т----------------—---------------,

0МАХ + £ 9, + £ Ру 9у

¿=1

где аТ - доля теплоты, получаемой от топливного ИТ первым потребителем; 1 — ат доля теплоты, получаемой от топливного ИТ вторым потребителем; Лт - энергетический КПД топливного ИТ; Лп1, Лп2 - коэффициенты, учитывающие теплопотери в теплопроводах, соединяющих топливный ИТ с первым и вторым потребителями (энергетические КПД теплопроводов); Лт1, Лпу 2 - коэффициенты, учитывающие теплопотери в теплопроводах, соединяющих НИТ

с первым и вторым потребителями (энергетические КПД теплопроводов); Р,, Ру - отношение

тепловой производительности каждого ¿-го и у-го низкопотенциального энергоисточника, подающего тепло соответственно первому и второму потребителю, к тепловой производительности топливного ИТ; 9Ш, 9Ш - эксергетическая температура первого и второго потребителей

теплоты; 9мах - максимальная эксергетическая температура топливного ИТ (газового нагревателя); 9,-, 9у - эксергетическая температура НИТ, подающих тепло первому и второму потребителю тепловой энергии.

Проведенный анализ 30-ти вариантов схем АЭК с топливными и низкопотенциальными источниками энергии (ВИЭ и ВЭР) позволяет сравнить комбинированные схемы по величине эксергетического КПД АЭК. На рис. 3 приведена диаграмма, наглядно представляющая зависимость максимальной величины эксергетического КПД от структуры АЭК с ВИЭ. Наиболее эффективными с точки зрения термодинамики представляются варианты 1 - 2 - 3 - 5 (ГН - ТН -СН - ВТ) и 2 - 3 - 4 - 5 (БН - ТН - СН - ВТ), имеющие значения 6л 1—т—п = 0,36, в 1,8 раза превышающие значение эксергетического КПД АЭК с топливным источником энергии. Эти варианты при равных прочих значениях параметров отличаются наибольшими значениями коэффициента использования первичной энергии, выражающего соотношение между теплотой, вырабатываемой НИТ (УТ, ТН, СН, ВТ), и теплотой, вырабатываемой ГН или БГ, определяемого в общем случае по формуле (2).

Рис. 2. Обобщенная структурно-расчетная схема АЭК с двумя потребителями, топливным ИТ и п НИТ

^П1-т-п

0,4

0,3

0,2

0,1

0

1+т+п

1 2 3 4 5

Рис. 3. Зависимость величины эксергетического КПД АЭК от количества и вида энергоисточников тепла, использующих ТЭР, ВИЭ, ВЭР и ТН

1 2 3 4 5

Экономически оптимальный вариант АЭК структурно, энергетически и термодинамически оптимального варианта может быть найден на основе комбинирования новых высокоэффективных ИТ, использующих ВИЭ и ВЭР, соответствующий минимальным приведенным затратам на его сооружение и эксплуатацию:

где И,, К,, Т - соответственно эксплуатационные издержки, капитальные затраты и срок службы элементов АЭК.

Расчет затрат по формуле (9) для ряда АЭК объектов на территории Астраханской области, использующих солнечную энергию, энергию ветра, биогаз и НИТ (грунтовые воды) с ТН, показывает, что минимальные приведенные затраты меньше, чем у АЭК с ТЭР, а срок окупаемости таких энергокомплексов не превышает 5-6 лет, что существенно меньше срока их службы (20-30 лет).

Таким образом, предлагаемый системный подход к анализу энергокомплексов с ВИЭ позволяет реализовать поиск оптимального варианта АЭК с ВИЭ. Уже в настоящее время АЭК с ВИЭ по технико-экономическим показателям вполне конкурентоспособны. Они станут еще более привлекательными в недалеком будущем, при истощении легкодоступных месторождений традиционных видов органического топлива и резком росте цен на тепловую и электрическую энергию и ТЭР.

1. Семкин Б. В., Стальная М. И., Свит П. П. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике // Теплоэнергетика. - 1996. - № 2. - С. 6-7.

2. Концепция нетрадиционной энергетики в России // Нетрадиционная энергетика и технология: материалы Междунар. конф. Ч. 1. - Владивосток: ДВО РАН, 1995. - С. 3-4.

3. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. -М.: Готика, 2000. - 236 с.

4. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). - Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2004. - 116 с.

5. Хоменко Т. В. Системные подходы к анализу измерительных устройств // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2009. - № 1. - С. 88-93.

6. Колер Р. Функционально-физический метод научно-технического творчества. - М.: Сов. радио, 1979. - 184 с.

7. Усачев А. П. Математическое моделирование и комплексная оптимизация сберегающих систем энергоснабжения малых потребителей // Вопросы совершенствования региональных энергетических систем и комплексов: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 1999. - С. 60-66.

8. Шишкин Н. Д. Оптимизация структурно-функциональных моделей малых энергоэкономичных систем и комплексов для индивидуального строительства // Экономика, экология и общество России на пороге 21-го столетия: материалы Междунар. конф. - СПб.: СПбГТУ, 1999. - С. 164-165.

9. Бродянский В. М., Фраштер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 288 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Статья поступила в редакцию 7.10.2009

SYSTEM APPROACH TO THE ANALYSIS OF POWER COMPLEXES WITH RENEWABLE ENERGY SOURCES

N. D. Shishkin

The method of structuring and optimization of autonomous power complexes and its individual elements in the simultaneous use of renewable energy sources, energy resources and secondary energy resources is presented. Power complexes are presented as a set of power supply systems of lower hierarchical level, units, subsystems, components, united by a common purpose - to ensure energy saving up of objects. For comparative assessment of energy, thermodynamic and technical-economic efficiency it is suggested to submit energy complexes in the form of graphs of structural and functional models that reflect the overall structure of the energy complexes and the processes of transformation, transportation, storage and energy use.

^y words: structuring of power complexes; renewable energy sources; graphs of structural and functional models; energy, thermodynamic, economic optimization.