Выбор типа комбинированной установки для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей

Выбор типа комбинированной установки

для электроснабжения сельскохозяйственных

потребителей

Д.В. Гринько, аспирант, Оренбургский ГАУ

Для выявления потенциала комбинированного использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) необходимо определить ресурсы солнечной и ветровой энергии, конфигурацию энергогенерирующей системы и рабочий процесс, который определяет, как те или иные узлы будут работать вместе в конкретной ситуации в течение длительного периода времени.

Использование программного обеспечения (ПО) в качестве инструмента для выполнения научных исследований уменьшает объём физических экспериментов, проведение которых в ряде случаев по тем или иным причинам представляется затруднительным или невозможным. В связи с этим в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL, США) было разработано программное обеспечение имитационного моделирования Hybrid Optimization Model for Electric Renewables 2 (HOMER 2), версия 2.81[1], для технического и экономического анализа параметров комбинированных систем.

Сотрудники лаборатории NREL проанализировали возможность использования 10-киловаттной комбинированной ветро-дизельной установки в Мурманской области. Данный регион располагает одним из самых высоких на европейской части территории России потенциалов ветровой энергии. Исследование показало, что комбинированная установка была бы более эффективна, чем существующий 16-киловаттный дизельный генератор. По оценке, стоимость производства электроэнергии от дизельной установки составляла бы 0,30—0,75$ за кВт • час, тогда как стоимость для комбинированной ветро-дизельной установки составила бы 0,23—0,27$ за кВт •час [2].

В данной работе рассмотрена возможность использования комбинированных установок на основе ВИЭ для электроснабжения части жилого комплекса Экодолье, расположенного в районе с. Ивановка Оренбургского района, за период 25 лет. Среднесуточное потребление электроэнергии

принимается 76000 Вт • ч/сут, среднегодовое солнечное излучение в данной местности 3,565 кВт • ч/м2/ сут, средняя годовая скорость ветра на высоте 25 м 4,6 м/с. Конфигурация оборудования исследуемых типов установок представлена в таблице 1.

Воздушная турбина. Отбор основывался на стоимости, выходном напряжении, мощности генератора и стартовой скорости, поскольку ресурс ветра в исследуемой местности не очень высок. На основе данных критериев отобрана ветротурбина Windelectric-Europe 5000 стоимостью 4765$, генерирующая переменный ток, имеющая номинальную мощность генератора 5 кВт, горизонтальную ось вращения, стартовую скорость ветра 2,0 м/с и высоту мачты 25 м.

Солнечная фотоэлектрическая батарея. Стоимость солнечных модулей на основе аморфного кремния составляет 4600$ за 1 кВт установленной мощности. Отдаваемая мощность устройства вычисляется с использованием уравнения [1]:

pv

: Ypvfpv

G

T, STC

[l + ap

где YPV — номинальная мощность солнечной батареи (кВт);

fPV — коэффициент снижения мощности PV (%); Gj — количество солнечного излучения, падающего на солнечную батарею (кВт/м2);

Gt STC — количество излучения в стандартных условиях испытаний (1 кВт/м2); ap — температурный коэффициент мощности (%/°С);

T — температура солнечной батареи в текущее время (°C);

T stc — температура батареи в стандартных условиях испытаний (25°C).

Группа аккумуляторных батарей: выбрана модель SURRETTE 6CS25P из библиотеки «HOMER 2», стоимость была уточнена на веб-сайте производителя и составила 950$. Срок службы группы батареи рассчитывается по формуле [1]:

1. Конфигурация оборудования

Компонент установки Тип установки

ветро-солнечно- дизельная ветро- дизельная солнечно- дизельная дизельная

Ветротурбина S kW S kW - -

Солнечная батарея S kW - S kW -

Группа аккумуляторных У шт., 6V У шт., 6V У шт., 6 V У шт., 6 V

батарей 11S6 Ah, 6,94 kWh llS6 Ah, 6,94 kWh llS6 Ah, 6,94 kWh llS6 Ah, 6,94 kWh

Инвертор lS kW IS kW IS kW IS kW

Дизельный генератор IS kW IS kW IS kW IS kW

Rbatt = MIN

Nbatt ' Qli,

lifetime

Qt

R

thrpt

'batt, f

где — количество батарей в группе;

О'Щечте — пропускная способность одной аккумуляторной батареи (кВт);

01Игр1 — ежегодная пропускная способность аккумуляторной батареи (сумма количества энергии, проходящей через группу батареи за один год) (кВт-ч/год);

К-ьаи,/ — буферный срок службы батареи (максимальный срок службы независимо от пропускной способности), (лет).

Стоимость износа батареи вычисляется следующим образом [1]:

C

cbw —

rep,batt

Nbatt ' Qlifetime

Дизельный генератор: выбрана модель «Азимут» АД 15-Т400, мощностью 15 кВт, стоимостью 5250$. Затраты на генератор рассчитываются по формуле [1]:

а

c — c + rep.gen +

gen, fixed om.gen

R

gen

+F0YgenCfuel ,eff

где Co,

— техническое обслуживание ($ / час);

-reMen — стоимость замены ($);

где С Ш1 — стоимость замены группы батареи ($);

— эффективность заряда-разряда батареи

(%).

Инвертор: выбрана модель HYUNDAI стоимостью 1000$. Эффективность инвертора принимается равной 90%.

C

'-re

R — срок службы генератора (часов);

F0 — коэффициент кривой топлива генератора

(л/час/кВт);

Ygen — мощность генератора (кВт);

Cfuel,eff — цена топлива ($/л).

База ПО «HOMER 2» содержит 6 типов вредных веществ, исходя из типа и количества расходуемого топлива, ПО определяет количество выбросов от дизельного генератора. С использованием ПО «HOMER 2» произведён последовательный поиск возможных вариантов комбинаций компонентов, наиболее оптимальные результаты отображены на рисунке 1, результаты моделирования приведены в таблице 2.

Рис. 1 - Оптимизация результатов ПО «HOMER 2»

2. Результаты моделирования ПО «HOMER 2»

Тип установки Начальные вложения, $ Эксплуатационные затраты, $/год Вложения за 2S лет, $ Цена выработанной энергии, $/кВт • ч Расход диз. топлива, л/год Работа диз. генератора, ч/год

Ветро-солнечно-дизельная 4l,26S 8,0S3 144,20У 0,408 6УУ9 2142

Ветро-дизельная l8,26S l0,lSl 148,034 0,419 8824 28У3

Солнечно-дизельная 36,S00 l2,93l 201,У99 0^У1 11292 3бУ9

Дизельная l3,S00 lS,23S 208,248 0,S89 l34l4 4499

3. Результаты интеграции ВИЭ с электрической сетью

Тип установки Начальные вложения, $ Эксплуатационные затратні, $/год Вложения за 2S лет, $ Цена выработанной энергии, $/кВт • ч

Солнечно-сетевая 3l,2S0 l,300 ll4,lS0 0,l6S

Ветро-солнечно-сетевая 36,0lS 886 ll3,l2S 0,163

Ветро-сетевая l3,0lS 93S б9,3УS 0,l00

Следует отметить существующую возможность интеграции ВИЭ с централизованной электрической сетью, результаты расчётов представлены в таблице 3.

По таблице 3 видно, что использование электрической сети в качестве резервного источника питания вместо дизельного генератора сокращает вложения и уменьшает стоимость энергии при условии, что выработанная энергия при исключении из системы генератора заменена электроэнергией от сети по тарифу 1,55 руб. за 1 кВт-ч [3]. Рост тарифа и стоимость подключения не учитывались. Вложения в солнечно-сетевую установку за 25 лет и цена выработанной энергии составят 114,150 и 0,165$ соответственно, при добавлении в систему воздушной турбины результаты расчётов общей стоимости и цены выработанной электроэнергии остаются практически инвариантны. Высокая стоимость выработанной энергии от установок на основе использования энергии солнца обусловлена большой ценой на солнечные элементы. Минимальными вложениями 69,375$ и ценой за энергию 0,100$ обладает ветро-сетевая установка.

Электроснабжение жилого массива Экодолье осуществляется от подстанции «Пугачёвская» 110 кВ, относящейся к Центральному энергорайону Оренбургской энергосистемы. Собственная генерация Центрального энергорайона покрывает 80% зимнего потребления и 40% летнего. Район является дефицитным по активной мощности, с высокой вероятностью нарушения устойчивости

при аварийных отключениях ВЛ 500 220 кВ и не позволяет обеспечивать достаточную надёжность электроснабжения потребителей [4, 5]. Принимая во внимание вышеобозначенные проблемы текущего состояния энергосистемы на территории Оренбургской области, предлагается перейти в перспективе на децентрализованное электроснабжение, в дальнейшем установки, интегрированные с централизованной электрической сетью, не рассматриваются.

Процентное соотношение выработанной электроэнергии от ВИЭ комбинированной с дизельным генератором представлено в таблице 4.

На рисунке 2 представлены диаграммы выработки электроэнергии, сгенерированные ПО «HOMER 2» для децентрализованных установок.

Количество выбросов вредных веществ от установок приведено в таблице 5. Плату за негативное воздействие на окружающую среду (НВОС) рассчитывают по следующей формуле [6]:

П

Пнатм = X Шатм 'Матм ' Кэатм ' Кин (5) 2=1

при Матм ^ MnІатм,

где г — вид загрязняющего вещества (г = 1, 2, 3...п); Пнатм — плата за выбросы загрязняющих веществ в пределах установленных нормативов выбросов (руб.);

Статм — норматив платы за выброс одной тонны г-го загрязняющего вещества в пределах установленных нормативом выбросов (руб.);

4. Количество выработанной энергии, кВт/год

Источник энергии Установка

ветро-солнечно- дизельная ветро- дизельная солнечно- дизельная дизельная

Ветер 12484 (35%) 12,484 (37%) - -

Солнце 6172 (17%) - 6,172 (18%) -

Дизель 16833

Суммарное количество 35489

Рис. 2 - Диаграммы выработки электроэнергии

5. Количество выбросов вредных веществ

Тип установки Выбросы вредных веществ, кг/год НВОС

двуокись углерода окись углерода несгоревшие углеводороды дисперсные частицы диоксид серы оксид азота

Ветро-солнечно-дизельная 1У,831 44,1 4,88 3,32 3S,8 393 1098

Ветро-дизельная 23,23У 57,4 6,3S 4,32 4б,У S12 1429

Солнечно-дизельная 29,У3б У3,4 8,13 S,S3 S9J 6SS 1829

Дизельная 3S,322 8У,2 9,бб б^У У0,9 УУ8 21У3

Міатм — фактическая масса выброса і-го загрязняющего вещества (т);

Мпіатм — допустимый выброс і-го загрязняющего вещества в пределах установленного норматива (т);

Кэатм — коэффициент, учитывающий экологический фактор состояния атмосферного воздуха в данном регионе;

Кин — коэффициент индексации платы за негативное воздействие на окружающую среду.

Установка, основанная на выработке электроэнергии дизельным генератором, имеет наименьшие начальные капитальные затраты, но обладает высокой совокупной стоимостью для проекта в целом, как показано в таблице 2. Кроме того, работе системы сопутствует большое количество выбросов вредных веществ — 35,322 кг/год, 70,9 кг/год и 778 кг/год (табл. 5).

Использование солнечно-дизельной установки позволяет сократить выработку энергии от дизельного генератора до 82%, как показано в таблице 4, уменьшить долю вредных выбросов по сравнению с выбросами от дизельного генератора на 5,586 кг/год, на 11,2 кг/год и на 123 кг/год (табл. 5).

Ветро-дизельная установка сокращает долю выработки энергии от дизельного генератора до 63% (табл. 4) и уменьшает долю вредных выбросов по сравнению с выбросами от дизельного генератора на 12,085 кг/год, на 24,2 кг/год и на 266 кг/год (табл. 5).

Ветро-солнечно-дизельная установка снижает долю выработки энергии от дизельного генератора до 47% (табл. 4), таким образом сокращая количество вредных выбросов по сравнению с выбросами от дизельного генератора на 17,471 кг/год, на 35,1 кг/год и на 385 кг/год (табл. 5).

Таким образом, технико-экономические расчёты сочетания компонентов комбинированных устройств, генерирующих энергию, позволяют

выбрать оптимальный тип устройства для места изыскания. При условии децентрализованного электроснабжения все рассмотренные типы установок, основанных на ВИЭ с резервным дизельным генератором, являются более эффективными по сравнению с использованием в качестве источника энергии только дизельного генератора. Наиболее эффективной при децентрализованном электроснабжении является ветро-солнечно-дизельная установка, несмотря на большие первоначальные затраты, имеющая наименьшие общие вложения за 25 лет, самую минимальную стоимость выработанной электроэнергии и более низкую плату за НВОС за счёт меньшего количества выбросов загрязняющих веществ по сравнению с остальными установками, что также даёт значительные преимущества с экологической точки зрения.

Литература

1. HOMER, the micropower optimization model. URL: http://-www. nrel.gov/homer, свободный. Загл. с экрана. (дата обращения

03.06.2012).

2. Martinot, E. (1999) «Renewable Energy in Russia: Markets, Development and Technology Transfer», Renewable and Sustainable Energy Reviews 3: 49-75. URL: http://www.martinot. info/re_publications.htm. (дата обращения 03.06.2012).

3. Приказ департамента Оренбургской области по ценам и регулированию тарифов от 06.12.2012 №151-э/э «Об утверждении тарифов на электрическую энергию, поставляемую населению и приравненным к нему категориям потребителей, на 2013 год». URL: http://www.orensbyt.ru/prikaz 151_2012.pdf, свободный. Загл. с экрана. (дата обращения

20.09.2013).

4. Схема и программа развития электроэнергетики, утверждённые губернатором — председателем правительства Оренбургской области Ю.А. Бергом, на период 2014—2018 гг. URL: http://nota.potext.ru/tw_files2/urls_2/2Zd-1348/7z-docs/3.pdf, свободный. Загл. с экрана. (дата обращения

20.09.2013).

5. Программа развития электроэнергетики Оренбургской области, утверждённая губернатором — председателем правительства Оренбургской области Ю.А. Бергом на 2013—2017 годы, от 28.04.2012. URL: http://energy.csti.yar.ru/documents/ view/5620120050, свободный. Загл. с экрана. (дата обращения

20.09.2013).

6. А.Ю. Ильина, редактор-эксперт журнала «Бюджетный учёт». Плата за негативное воздействие на окружающую среду. URL: http://b-uchet.ru/article/35538.php, свободный. Загл. с экрана. (дата обращения 03.10.2013).