Эффективность ветро-дизельной электрической станции на территории Томской области

= 16

Энергобезопасность и энергосбережение

УДК 621.311.236

Эффективность ветро-дизельной электрической станции на территории Томской области

Е. А. Шутов,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Электротехнический институт, кандидат технических наук, доцент

И. А. Плотников,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Электротехнический институт, кандидат технических наук, доцент

С. С. Лушников,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Электротехнический институт, магистрант

Оценены перспективы эксплуатации ветро-дизельного комплекса на территории Томской области в районах, не охваченных централизованным электроснабжением. Приводится анализ энергоэффективности данной установки и делается вывод о перспективах её использования (на основе моделирования).

Ключевые слова: ветро-дизельная электрическая станция, математическая модель, экономия топлива, энергетическая установка, децентрализованные потребители.

Более половины территории Томской области не охвачено сетями централизованного электроснабжения. Низкая плотность населения и слабая производственная освоенность этих районов делают подключение этих территорий к централизованной системе энергообеспечения нецелесообразным с экономической точки зрения.

Основными источниками питания для таких территорий являются дизельные электростанции (ДЭС). По уровню выработки электроэнергии ДЭС полностью удовлетворяют запросы территории, однако экономические аспекты данного технического решения проблемы электроснабжения децентрализованных потребителей становятся всё более определяющими. Рост топливной составляющей в себестоимости электроэнергии и неэффективное использование топлива заставляют обратиться к потенциалу альтернативной энергетики.

Возможным решением проблемы снижения себестоимости электроэнергии для таких территорий является использование либо только возобновляемых источников энергии (ВИЭ), либо совместное использование ВИЭ и ДЭС.

При установленной мощности электроприёмников от десятков киловатт вариант использования только энергии солнца или энергии ветра считается сомнительным для территории децентрализованного электроснабжения области. Ветровая обстановка, характеризуемая преобладающими ветрами со средней скоростью на уровне 4,1 м/с (высота измерений над уровнем земли 10 м) и среднегодовой уровень суммарной солнечной радиации до 1441 МДж/м2 приводят к росту стоимостных затрат реализации проекта, когда сроки окупаемости и эксплуатации выравниваются [1].

Предлагается оценить эффективность ветро-дизельной электростанции (ВДЭС) и определить вклад ветроустановки в уровень суммарной выработанной электроэнергии. Модель ВДЭС, реализованная средствами МАТЪАВ (рис. 1), характеризует статические свойства системы и может служить инструментом оценки эффективности энергоустановки.

Контроллер

Рис. 1. Структурная схема ветро-дизельной электростанции

При моделировании электроустановок системы каждая из них рассматривалась в виде двухкомпонент-ной структуры. ДЭС представлена в виде совокупности моделей двигателя внутреннего сгорания (CUMMINS 6BT5.9-G1) и синхронного генератора (LEROY SOMER LSA44.2VS45). Реализация модели осуществлена путём применения метода статистического моделирования в случае дизеля (рис. 2 а) и решения уравнений Парка-Горева при общепринятых допущениях в случае синхронного генератора [2, 3]. Аналогичным образом представлена ветроэлектростанция как сумма математических моделей ветротурбины (рабочие характеристики (рис. 2 б) получены через аэродинами-

ДВМВИИИИ1

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность

17 =

ку ветродвигателя Westwind10 с диаметром ротора 6,2 м) и синхронного генератора с постоянными магнитами ALXЮN 300БТК8М.

2000 Н[об/мин]

М[Н-м]

900 -

600 -

300 -

1000 " 200

а

11 м/с 13 м/с 14 м/с

Рабочая характеристика момента ветротурбины

Зависимости носят интегральный характер и не отражают динамические изменения аргументов в малом. Подобное отступление от реальной картины протекания процесса не снизит точности статической оценки энергоэффективности установки. Как моменты инерции вращающихся масс ВЭС и ДЭС, так и постоянные времени топливного насоса высокого давления дизеля и заряда аккумуляторных батарей будут оказывать интегральное воздействие на динамику изменения входных аргументов системы.

Мониторинг ветровой ситуации за 2010 год осуществлён по данным метеостанции, расположение которой не всегда совпадает с местом установки ветро-дизельной электростанции. Исходя из этого оценивалась ситуация не только реального распределения ветра, зафиксированного метеостанцией (рис. 3), но и возможные варианты (обусловленные изменением рельефа местности) пропорционального увеличения скорости ветра по такому же закону до уровня У=3-4 м/с и У=4-5 м/с.

м/с]

10

ад[рад/с]

Рис. 2. Характеристики энергетических установок системы В ДЭС: а — двигателя внутреннего сгорания; б — ветротурбиныI

Микропроцессор определяет состояние системы, осуществляя переключения режимов:

• при низком - 40 % уровне заряда аккумуляторной батареи (АБ) - ветро-дизельная электростанция включена параллельно с ветроэлектростанцией, обеспечивая потребности в электроэнергии как нагрузки (Н), так и АБ. Контроллер выявляет наиболее экономичный режим работы дизеля, учитывая ветровую электрическую составляющую;

• при высоком - 90 % уровне заряда АБ - выключается дизель электростанция и потребитель получает энергию от аккумулятора. Ветроэлектростанция по-прежнему заряжает аккумуляторные батареи, чем обеспечивается максимальное использование потенциала ветра. Контроллер устанавливает степень заряда накопителя энергии и при необходимости выводит из работы ВЭС.

Выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ) -это, с одной стороны, многофункциональная электронная схема, а с другой - программно управляемый комплекс. Функции: выпрямление напряжения, преобразование ток-напряжения, фильтрация, стабилизация тока, мультиплексирование направления передачи потоков энергии, бустерное преобразование - контролируются микропроцессором. Инвертор напряжения (И), как и все электронные блоки (рис. 1), моделировался при допущении, что электронные ключи идеальны.

Входными аргументами системы являются возможные графики нагрузки сельского поселения [4] и изменения скорости ветра в течение суток [5].

+ + + + + + -г- +- + + ь + + +

-1- + ! - 1 -Г А * 1 + ! + 1 о $ 1 1 1 + 1 1 1 * 111 + 1 1 1

-ч -+ 1- -1- 1 -1- ±

12

15

18

1ч]

Рис. 3. Статистическая оценка ветровой ситуации сельского поселения Подгорное

В результате оценки эффективности ветро-дизельной электростанции получены следующие результаты:

• в сравнении с эксплуатацией дизельной электростанции, когда суточное потребление топлива составило 154 литра, вариант установки ВДЭС (при скорости ветра У=2-3 м/с) позволил снизить потребление топлива на 6 %. Экономия топлива достигает уровня 12 % при благоприятной ветровой обстановке (скорость ветра У=4-5 м/с) (рис. 4);

• уровень выработки электроэнергии ВЭС составил 5 % при скорости ветра У=4-5 м/с (рис. 5) от суммарной величины производства электроэнергии ВДЭС и 1 % при скорости ветра У=2-3 м/с.

Неоднозначность таких выводов поверхностна, если приянять во внимание наличие в схеме ветро-дизель-ной электростанции накопителей энергии. Аккумуляторные батареи обеспечивают выравнивание графика нагрузки для дизеля, который стабильно функционирует в зоне минимального потребления топлива.

Повышение эффективности электроснабжения децентрализованных потребителей Томской области с установленной мощностью электроприёмников от десятков киловатт посредством установки ветро-дизельной электростанции возможно. Пред-

8

0

б

6

4

2

0

0

3

6

9

ШТШЖ»

= 18

Энергобезопасность и энергосбережение

15

10,

1 1 ДЭС ВДЭС

i ¿2b

50

40

30

20

10

W[kBt- ч]

0 5 10 15 20 /[ч]

Рис. 4. Суточная диаграмма часового расхода топлива

варительно осуществив мониторинг ветровой ситуации непосредственно в предполагаемом месте установки ВДЭС и получив оценку ветровых условий на уровне не ниже 4-5 м/с (значение медианы скорости ветра в часовом исчислении), возможно снизить уровень потребления дизельного топлива до 12 %. Результат обеспечивается совместным решением двух уникальных задач: во-первых, нахождением оптимального соотношения мощностей источников энергии ветро-

\Удэс[кВт ч] \Уаб[кВт ч] I \Увэс[кВт ч]

Е

10

15

20

th]

Рис. 5. Диаграмма заполнения графика нагрузки источниками электроэнергии ВДЭС

дизельной электростанции и, во-вторых, увеличением высоты мачты ветроэлектростанции. Разработанное программное обеспечение не решает задачу оптимизации, но позволит рассмотреть эффективность конкретного технического решения.

Исследования проводились в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по направлению «Новые и возобновляемые источники энергии».

Литература

1. ЖСК микрорайона Радужный. Геологическая справка. [Электронный ресурс]. Код доступа: http://imho.metka.ru/mkr/geo.htm

2. Лукутин Б. В., Климова Г. Н. Исследование работы инверторной дизельной электростанции на частичных характеристиках дизеля // Электричество. - 2009. - № 12. - С. 41-44.

3. Nayar C. Remote Area Micro-Grid System using Diesel Driven Doubly Fed Induction Generators, Photovoltaics and Wind Generators // IEEE International Conference On Sustainable Energy Technologies (ICSET), Singapore, 24-27 Nov., 2008. - Р. 1212-1217.

4. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний /

Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е. В. Аметистова http://www.energocon.com/pages/id1335.html

5. Погода и климат. Архив погоды в Томске. http://pogoda.ru.net/weather.php?id=29430

[Электронный [Электронный

ресурс]. ресурс].

Код Код

доступа:

доступа:

Efficiency of wind-diesel power station in Tomsk Region E. A. Shutov,

Ph.D., Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Institute of Electrical Engineering I. A. Plotnikov,

Ph.D., Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Institute of Electrical Engineering S. S. Lushnikov,

National Research Tomsk Polytechnic University, Institute of Electrical Engineering

The article discusses the prospects of exploitation of wind-diesel complex on the territory of Tomsk Region in areas not covered by the centralized power supply. Provides an assessment of efficiency of this installation, and concludes on the prospects of its usage.

Keywords: wind-diesel power plant, the mathematical model, fuel economy, power plant, decentralized consumers.

5

0

5

ИШШИЭДИ