авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Повышение эффективности систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии

На правах рукописи

Кобелев Александр Викторович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк 2004

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете Научный руководитель кандидат технических наук, доцент НАБАТОВ К. А.

Научный консультант доктор технических наук, ШУВАЛОВ А. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КУДРИН Б. И.;

кандидат технических наук, доцент ЗАХАРОВ К. Д.

Ведущая организация ОАО «Тамбовэнерго», (г. Тамбов)

Защита диссертации состоится 25 июня 2004 года в 1600 часов на заседании диссертационного сове та Д 212.108.01 в Липецком государственном техническом университете по адресу: 398600, г. Липецк, ул.

Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического уни верситета.

Автореферат разослан « » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент В.И. Бойчевский Подписано к печати 18.05. Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 84/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Объем: 0,93 усл. печ. л.;

0,9 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных задач электроснабжения предприятий средней и малой мощности является задача обеспечения эффективности функционирования электрических систем со вместно с возобновляемыми источниками энергии. На основании анализа публикаций можно сделать вывод, что до настоящего времени не существовало единой методики эффективного функционирования электрических систем при рациональной замене традиционных источников энергии возобновляемыми источниками для районов Тамбовской области. Разработка методики, позволяющей получить опти мальное соотношение традиционных и альтернативных источников энергии, является одной из важ нейших задач, вытекающей из Федерального закона «Об энергосбережении» N 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г., во всех регионах России, в частности и для Тамбовской области. Отдельные иссле дования Л.А. Перовой, Н.А. Петелиной, Э.А. Мовсумова в основном направлены на возможность ис пользования того или иного нетрадиционного источника. Однако возможность использования нетради ционных возобновляемых источников энергии можно оценить только при их совместном рассмотрении с традиционными. Эта проблема нуждается в более глубоком изучении. Поэтому исследования, направ ленные на разработку методики использования возобновляемых источников энергии при построении рациональной системы электроснабжения, являются актуальными.

Целью работы является повышение эффективности функционирования электрических систем и ис следование возможности рациональной доли замещения традиционных энергоресурсов энергией солн ца, ветра, биогаза при энергоснабжении мелких потребителей на примере Тамбовской области.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследования:

определить гелиоэнергетические, ветроэнергетические, биогазовые ресурсы Тамбовской области;

разработать методику синтеза рациональной структуры энергопотребления различных энергоре сурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии;

оптимизировать структуру энергопотребления основных районов Тамбовской области.

Идея работы заключается в использовании способов и средств взаимного замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра, биогаза, путем введения весовых коэффициентов, учитываю щих интенсивность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии с учетом ме стных метеорологических условий.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

разработана для Тамбовской области методика оптимизации структуры энергопотребления раз личных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии;

определены статистические характеристики, математические зависимости и оценен потенциаль ный ресурс солнечной, ветровой и биогазовой энергии;

оптимизирована структура электроснабжения и энергоресурсов для каждого района Тамбовской области.

Практическая ценность. Определена полезная удельная энергия ветра, биогаза, солнца для районов Тамбовской области. Полученный материал в виде математических зависимостей, таблиц, графиков и прикладных программ является основой для проектных и инженерно-технических разработок использо вания нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Для административных районов опреде лена рациональная структура потребления основных энергоресурсов. Показано место нетрадиционных возобновляемых источников энергии в этой структуре и возможность при их применении снижения по требления традиционных энергоресурсов. Разработанная методика оптимизации структуры позволяет решить задачи, связанные с перспективным планированием системы энергоснабжения традиционными источниками энергии с альтернативными источниками, а также снижением вредных выбросов в окру жающую среду.

Методы и объекты исследования. В работе использован комплексный подход исследования, вклю чающий метод математической статистики, метод синтеза рациональной структуры энергопотребления, теорию математического моделирования и инженерного эксперимента, программную реализацию ре шения задач на основе использования метода линейного программирования.



Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследова ния, сделанной исходя из всестороннего анализа работы различных типов потребителей и энергоноси телей;

математическим обоснованием разработанных зависимостей;

представленной выборкой экспери ментальных данных, полученных в реальных условиях при помощи современных измерительных прибо ров;

хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с довери тельной вероятностью 0,95 (относительная погрешность не превышает 5 %).

Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в ГНУ ВИИТиН в виде рекомендаций, позволяющих получить рациональную систему электроснабжения.

Ожидаемая экономия средств за счет рациональной структуры энергопотребления составит около 6, млн. р./год. При возможном применении альтернативных источников энергии экономится 45,84 ГВт·ч в год., за счет чего в Тамбовской области возможно предотвратить экологический ущерб, со снижением вредных выбросов от замещаемых традиционных источников энергии. Материал, используемый в дис сертационной работе, применяется в учебном процессе ТГТУ по дисциплинам: «Режим работы и потре бители СЭС», «История развития энергетики», «Электроснабжение сельскохозяйственных потребите лей».

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2002 – 2003 гг.);

на Всероссийской научно-технической конференции по энергосбережению (Новомосковск, 2002 г.);

на Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» ВИЭСХ (Москва, 2003 г.);

на Международной конференции по энергосбережению «Estimation of a power-wind potential» (Алжир, 2003 г.);

на Всероссийской научно технической конференции: «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии» (Липецк, 2004 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использован ной литературы и приложений. Общий объем диссертации 144 страницы, в том числе 127 страниц ос новного текста, 20 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы, приведены результаты апробации и реализации теоретических и прак тических исследований.

В первой главе рассмотрено потребление электроэнергии Тамбовской областью, как потребителем энергоресурсов. Проведен анализ мирового опыта использования нетрадиционных возобновляемых ис точников энергии.

Проведенный анализ литературных источников показал, что во многих зарубежных странах исполь зование нетрадиционных возобновляемых источников энергии занимает заметную долю в электроснаб жении и обеспечении теплом потребителей. Прогноз перспективного развития ВЭУ (ветроэнергетиче ских установок) к 2010 году показывает, что ежегодный прирост ВЭУ может составить 1 тыс. МВт. На территории России и других стран СНГ имеется более 30 районов, где возможно широкомасштабное использование групп ветроэнергетических установок (ВЭУ). К 2030 году в странах ЕС реально получение суммарной мощности 100 тыс. МВт, при которых ВЭУ будут покрывать 10 % от всего энергопотребления.





В 2010 г. в ЕС намечено получить дополнительной энергии за счет использования биомассы в размере 90 млн. т нефтяного эквивалента (н.э.), из них 15 млн. т н.э. – за счет использования биогазовых устано вок. Выполненный анализ использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии позво лил установить, что такие источники могут компенсировать определенную часть возрастающей потреб ности сельского хозяйства в энергоресурсах. В настоящее время в Тамбовской области практически нет установок, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Отчасти это объясня ется ограниченностью предложений заводов-изготовителей данных установок. Но основная причина заключается в том, что потенциальная возможность использования таких источников энергии, как солнце, ветер, биогаз в зоне Тамбовской области не изучена. Следовательно, потребитель не имеет воз можности оценить количество вырабатываемой энергии от того или иного источника, определить необ ходимость и мощность дублирующего источника. Кроме того, не разработана методика сопоставления экономической целесообразности, использования нетрадиционных возобновляемых источников энер гии в сравнении, как с традиционными, так и между собой. Таким образом, необходимо проведение ис следований потенциальной возможности возобновляемых источников и разработка теории комплексно го использования энергоресурсов и источников энергии в общем энергобалансе.

В соответствии с изложенным, целью диссертационной работы является оптимизация замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра, биогаза при энергоснабжении предприятий средней и малой мощности на примере Тамбовской области. Из поставленной цели вытекают следую щие задачи исследования:

формирование опытно-статистических параметров, характеризующих системы электроснабже ния с возобновляемыми источниками энергии;

разработка структуры математической оценки гелиоэнергетических, ветроэнергетических, биога зовых ресурсов;

разработка математических моделей и алгоритмов, обеспечивающих определение необходимых ресурсов для создания систем снабжения энергией обособленных потребителей;

разработка методики анализа и синтеза рациональной структуры системы энергопотребления раз личных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии;

определение рациональной структуры энергопотребления удаленных районов в Тамбовской облас ти.

оптимизация структуры систем энергопотребления потребителей с использованием возобнов ляемых источников энергии.

Во второй главе определены основы синтеза рационального электроснабжения предприятий сред ней и малой мощности.

В настоящее время в Тамбовской области и других регионах сложилась определенная система энер госнабжения удаленных районов, основанная на использовании традиционных источников. Эту систему можно разбить на пять основных подсистем. Все эти подсистемы полностью описывают электро- и энергоснабжение потребителей от традиционных существующих источников. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. При рассмотрении электроснабжения удаленных предприятий средней и малой мощности следует учитывать сложившиеся структуры, которые часто накладывает ог раничения на количество энергии используемых традиционных видов энергоносителей. Часть этих рай онов находится в зоне высокой концентрации электрических сетей, вблизи мощных газораспредели тельных пунктов или узловых железнодорожных станций. Все эти факторы снижают затраты на транс портировку энергоносителя.

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии может рассматриваться как самостоятельная часть общей системы электроснабжения. При этом следует учитывать, что солнечная энергия (при существующих условиях и техническом решении) может производить электрическую и тепловую энергию, ветровая энергия – электрическую и механическую (например, водоподъем), энер гия биогаза (при существующих технических решениях) может производить электрическую, тепловую, механическую энергию. Системы электро- и энергоснабжения с нетрадиционными возобновляемыми источниками также имеют свои достоинства и недостатки.

К достоинствам, несомненно, относится то, что каждая из систем с использованием нетрадицион ных возобновляемых источников энергии исключает элементы, связанные с добычей, транспортиров кой и переработкой органического топлива и отсутствием выбросов в атмосферу. Снижается радиус транспортировки энергии (как правило, за счет отсутствия питающих сетей). К достоинствам биогаза, относятся: возобновляемость, наличие местных источников сырья для получения топлива, сокращение зависимости от поставщиков нефти и газа, снижение экологического ущерба от систем сбора органиче ских отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы, что в настоящее время становится особенно актуальным.

Недостатки. Поступление энергии от двух рассматриваемых источников (ветра и солнца) носит циклический характер в течение года, сезона, суток. Следовательно, использование этих источников энергии будет накладывать определенные ограничения, связанные с неравномерностью подачи солнеч ной и ветровой энергий во времени дня, суток, года.

При постановке задачи о рациональном соотношении между различными источниками энергии при электроснабжении потребителей использовалась целевая функция суммарных затрат на передачу энер гии всем потребителям и суммарный технологический ущерб, обусловленный уровнем надежности ис точников:

m n m n xij yij min, (1) Z= cij xij + i =1 j =1 i =1 j = где уij – величина удельного ущерба при энергоснабжении j-гo потребителя от i-го источника, xij – поток энергии от каждого источника к каждому потребителю, cij – издержки на доставку того или иного вида энергии.

Условия полного удовлетворения каждого потребителя энергиями различных видов (1) не всегда, особенно в настоящее время, можно выполнить. Это связано, в первую очередь, с различными режим ными ограничениями на поставку энергии и газа от централизованных источников, включая отсутствие энергоресурсов. Кроме того, могут возникать ограничения, определяемые, с одной стороны, пропуск ными способностями систем электроснабжения для традиционных источников энергии, с другой сторо ны, возможностью выработки энергии в требуемый промежуток времени нетрадиционными возобнов ляемыми источниками. Перечисленные ограничения, связанные с невозможностью удовлетворения полного спроса, пропускными способностями схем электроснабжения и цикличностью выработки энер гии нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ), можно записать в виде 0 хij dij, i = 1, 2,..., m;

j = 1, 2,..., n, (2) где dij – предельное количество энергии, которое может быть передано за рассматриваемый промежуток времени. В общем случае это может быть месяц, сезон, год.

Оценка затрат на снабжение удаленных районов средней и малой мощности электроэнергией от энергосистемы были определены методом приближенной оценки по обобщенным формулам и зависи мостям, имитирующим характер экономических взаимосвязей, существующих в данной распредели тельной системе. Используя данный метод были рассчитаны затраты на снабжение сельскохозяйствен ных потребителей при распределении газа в теплоснабжение от местных котельных.

В третьей главе получены опытно-статистические данные, позволяющие определять величину воз можной потенциальной мощности от энергии солнца для Тамбовской области в зависимости от сезона года, времени суток.

Этот материал был собран по актинометрическим станциям региона с глубиной проработки – 5 лет.

Аналогичным образом собран статистический материал по продолжительности солнечного сияния (рис.

1).

Рассчитанных значений достаточно для определения суммарной солнечной энергии для территории Тамбовской области.

Q = Q0 (а + b (S/S0)), (3) где Q – суммарная солнечная энергия, МДж/м2;

Q0 – солнечная энергия, поступающая на границу атмосферы зем ли – солнечная постоянная, МДж/м2;

S – действительная продол T t T· жительность солнечного сияния, ч;

S0 – возможная продолжитель Т ность солнечного сияния, определяемая как продолжительность t 10 2 времени между восходом и заходом солнца, ч;

а и b – коэффици енты регрессии, показывающие связь между относительной сум марной солнечной энергией и относительной продолжительно стью солнечного сияния.

В этой главе была определена вероятность солнечного сия ния, позволяющая наиболее точно определить часовые интерва лы, в которых активно оно наблюдается. Для аппроксимации рас пределения продолжительности солнечного сияния достаточно месяцы 2 4 6 8 сложно подобрать функцию. Прежде всего, это вытекает из физи Рис. 1. Продолжительность солнечного ческого смысла: оно ограничено с двух сторон: продолжитель сияния: T – за год;

t – средняя за день ность солнечного сияния не может быть меньше нуля и больше долготы дня. Одним из возможных вариантов описания данного типа распределения является использо вание эмпирической функции распределения. Так, при наличии эмпирического распределения можно применить полиномиальную зависимость.

Для каждого месяца получены коэффициенты полинома. Выравнивающая функция распределения сравнивалась с имеющимися кривыми распределения по критерию согласия.

Согласно критерию Пирсона функция распределения за январь удовлетворительно согласуются с ап проксимирующим полиномом третьего и более порядка, остальные месяцы – с полиномом четвертого и бо лее порядка.

В результате получено большое количество аппроксимирующих уравнений:

р ( ) = a i i, (4) i = где аi – коэффициенты полинома (табл. 1);

– продолжительность солнечного сияния относительно восхода солнца, час.

Порядок кривой для каждого месяца выбирался по критерию Пирсона. По полиному (4) построены выравнивающие кривые для всех рассматриваемых случаев (рис. 2 а, б, в, г).

Таблица Значения коэффициентов аппроксимирующего нелинейного полинома Месяц а0 а1 а2 а3 а Январь –0,1446 0,2382 –0,0193 –0,000462 – –0,0339 0,000223 2,62·10– Февраль –0,241 0, – Март –0,2045 0,2685 –0,0203 0, 5,227·10– Апрель 0,3957 0,1492 –0,03202 0,00354 –0, Май 0,5243 0,1265 –0,02908 0,002889 –0, –0,01455 0,00151 –6,74·10– Июнь 0,5848 0, Июль 0,5099 0,1619 –0,0416 0,00435 –0, Август 0,1951 0,3031 –0,0646 0,00607 –0, Сен –0,105 0,4498 –0,10046 0,0099 –0, тябрь Октябрь –0,0183 0,242 –0,0464 0,00411 –0, Ноябрь –0,1467 0,44568 –0,145 0,02026 –0, Декабрь –0,4087 0,6418 –0,2133 0,03292 –0, Кривые на (рис. 2 а, б, в, г) описывают эмпирические данные которые согласуются с данными ма тематической модели. Сходимость данных по критерию Колмогорова-Смирнова дает удовлетворитель ное согласие на 5 %-ном уровне значимости.

Таким образом, данную математическую модель с полученными параметрами можно использовать для выравнивания эмпирических функций распределения продолжительности солнечного сияния.

Суммарную солнечную энергию, поступающую на горизонтальную поверхность в течение сезона или года, можно определить простым суммированием значений Qмес.

Для определения энергии, полученной непосредственно потребителем, можно воспользоваться формулой Р() Р() 0, 0, 0, 0,3 0, 0, 0, 0, 78 10 12 8 9 10 11 12 13 14 15 t, ч t, ч а) б) 1 – ноябрь;

2 – январь;

3 – декабрь 1 – февраль;

2 – октябрь Р() Р() 0,6 0,6 0, 0,4 1 0, 0, 67 911 13 15 17 t, ч 6 8 10 12 14 16 18 t, ч в) г) 1 – июнь;

2 – июль;

3 – август;

1 – май;

2 – апрель;

3 – март 4 – сентябрь Рис. 2 а, б, в, г. Распределение суточной продолжительности солнечного сияния и результаты его выравнивания Qпол = Q1 Rсу, (5) где Q1 – суммарная солнечная энергия за определенный период (день, месяц, сезон, год);

R – коэффици ент пропорциональности между солнечной энергией, поступающей на горизонтальную и наклонную поверхность приемника солнечной энергии;

су – суммарный к.п.д. солнечной установки.

Суммарная солнечная энергия, поступающая на горизонтальную поверхность в течение месяца, может быть определена как Qмес = Qсут Np (), (6) Q, где Qмес – суммарная кВтч/м2 солнечная энергия, поступающая в течение месяца, МДж/м2;

Qсут – то же в течение суток данного формуле (3)), МДж/м2;

N – число дней в месяца (определяется по ченность (вероятность) солнечного месяце;

p() – обеспе сияния в данном месяце (определяется по рис. 2 а, б, в, г).

В четвертой главе выполнена оценка, позволяющая определять величину возможной потенциальной мощности от энергии ветра для Тамбовской области в зависимости от сезона года, времени суток.

02 4 6 При определении m, месяц ветроэнергетического потенциала проблемой является нахождение закона распределения Рис. 3. Удельная годовая мощность от ветра, солнца, с учетом суточного распределения удовлетворительно скорости описывающего распределение исследуемого признака в тех или иных физико-географических условиях в пределах точности исходных данных. Описание плотности распределения скорости ветра с помощью различных законов распределения показало, что наиболее предпочтительным для Тамбовской области является распределение Гаусса. Кривая распределения Гаусса имеет более сходную функцию с функцией, полу ченной на практике для Тамбовской области. Плотность вероятности распределения скорости ветра по распределению Гаусса имеет вид 1 V V (7) 1 2 p (V ) = V e, V где V – скорость ветра, м/с;

V – скорость ветра, усредненная через определенный период времени t, м/с;

V – среднеквадратичное отклонение скорости ветра, м/с.

Параметры принятого закона распределения скорости ветра могут служить основой для определе ния ветроэнергетических ресурсов. Мощность ветрового потока, протекающего в единицу времени че рез поперечное сечение площадью FB = 1 м2 при определенной скорости ветра V (м/с) и плотности воз духа (кг/м3):

P = 0,5 V3 FB. (8) Удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения:

Pуд = 0,5 V3. (9) Среднемесячная (сезонная, годовая) удельная энергия ветра:

Vвых V p(V )dV, (10) Wуд = 1,8 103 T где Т – число часов, за которое определяется удельная энергия ветра;

p(V) – вероятность скорости ветра по градациям.

Номинальная мощность ВЭУ определяется выражением Pн = 4,8110–4D2V3pCppг, (11) где D – диаметр ветроколеса, м;

Vp – расчетная скорость ветра, м/с;

Cp – коэффициент использования ветрового потока;

p,г – к.п.д. редуктора и генератора.

Перейти к удельной мощности ВЭУ можно, задав соответствующие диапазоны работы:

при V Vmin ;

Vi при Vmin V Vp ;

(12) Pc = Vp при Vp V Vmax ;

при V Vmax, где Vmin – минимальная скорость, при которой происходит запуск ВЭУ, м/с;

Vmax – скорость ветра, при которой происходит отключение ветроколеса, м/с;

= 4,8110-4 (4 ) Cppг. (13) Удельная выработка энергии ВЭУ:

Vmax Pc p(V )dV. (14) тех = 3,6 10 Т Wуд Используя (14) и задав соответствующий диапазон работы ВЭУ (12) получим:

VP Vmax Wуд = 3,6 106 Т Vi3 p(V )i + V p p(V )i. (15) тех Vmin VР В зависимости от параметра Т определяется удельная выработка энергии за месяц, сезон, год.

Установлено, что нормальное распределение по закону Гаусса можно использовать для описания эмпирических распределений скорости ветра для районов Тамбовской области.

На основании полученных данных определены интегральные функции распределения p(V). Полу ченные данные позволяют рассчитать вероятность ожидания ветрового потока заданной мощности в течение сезона, года (рис. 4).

По выражению (15) приведена зависимость удельной мощности ветрового потока от обеспеченно сти скорости ветра (рис. 5). По этим зависимостям определяем возможность использования ветроэнер гетических установок в заданном ветровом районе.

В пятой главе выполнена оценка технико-экономических показателей электроснабжения районов.

Предложен алгоритм технико-экономического расчета рационального соотношения между традицион ными и альтернативными источниками энергии (рис. 6). В данной главе была проведена оценка целесо образности использования энергии солнца, ветра и биогаза.

Для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую служат солнечные ба тареи.

p(V), 1 W, р ГДж/м 0, 0, 0, 0 3 6 9 12 V, м/с 0 2 4 6 8 V, м/с Рис. 4. Теоретическая (1) и Рис. 5. Кривая энергетической экспериментальная (2) обеспеченности за год вероятности распределения скорости ветра Определение минимальной удельной стоимости 1 м2 солнечного коллектора (СК) С1 m W2 сб 10 (16) K уд =, Eн + где сб – к.п.д. солнечной батареи (СБ);

W2 – годовая суммарная (удельная) поступающая солнечная энергия, кВтч/м2 ;

С1 – стоимость угля, для данного района руб./т;

m – удельный расход топлива для станций системы Тамбовэнерго г.у.т./кВтч.

Для оценки технико-экономической эффективности использования ветроэнергетических установок в Тамбовской области определим минимальную удельную стоимость ветроэнергетической установки в зависимости от стоимости энергоносителя в данном районе^ W2г 10 C1 m Pн, (17) K уд = Eн + i где W2г – выработка электроэнергии ВЭУ за год, кВтч;

Рн – номинальная мощность генератора ветро энергетической установки.

Для определения минимальной удельной стоимости биогазовой установки воспользуемся формулой (16).

Из выражений (16) и (17) были выведены ограничения по использованию солнечных, ветровых и биогазовых установок. Установлено, что целесообразно использование солнечных и биогазовых уста новок для получения тепловой энергии, а ветровых установок – для электрической и механической.

Для оптимального определения рационального соотношения вводятся ограничения, исходя из су ществующего энергопотребления (рис. 6).

Решая задачу рационального соотношения воспользуемся целевой функцией Ci xi min, (18) Z= i = где Сi – себестоимость электрической энергии oт энергосистемы, природного газа, угля, тепловой энергии oт солнца, электрической энергии от ВЭУ, биогаза;

xi – доли потребления энергии от энергосистемы, при родного газа.

По районам области при рациональной структуре потребления энергоресурсов ожидаемая выработ ка тепловой энергии от солнечных коллекторов будет в пределах 13 млн. кВт·ч/год, от биогазовых уста новок – в пределах 9 млн. кВт·ч/год и электроэнергии от ВЭУ – в пределах 8 млн. кВт·ч/год. При этом в области возможно сэкономить около 8 млн. кВт·ч электроэнергии от энергосистемы и 22 млн. кВт·ч теп ловой энергии от угольных котельных (рис. 7).

Альтернативные источники энергии Определение минимальной удельной стоимости альтернативных источников энергии (Kуд) ВЕТЕР БИОГАЗ СОЛНЦЕ K уд K уст Нерентабельность применения Определение установки стоимости полученной энергии (Cj) Критерии оценки рационального соотношения:

С1 x1 + С 2 x 2 + C 3 x3 + С 4 x 4 + С 5 x5 + C 6 x6 min Введение ограничений (bi) по сложившемуся потреблению (xi):

x1 + x 2 + x 3 + x 4 + x 5 + x 6 = 1, x 2 = b1, x1 b1, x1 0,9 b1, x 2 + x3 b2 + b3, x 2 + x3 0,85 (b2 + b3 ), x5 + x 6 0,1 b1 + 0,15 (b2 + b3 ), x 4 0,5 b1 + 0,15 (b2 + b3 ) Электроэнергия Газ от системы Уголь для обогрева от системы Традиционные источники энергии Рис. 6. Блок-схема определения рационального соотношения энергии (мощности) между традиционными и альтернативными источниками Традиционные источники энергии ГВт·ч Тепловая Электрическая Инжавенский Пичаевский Уваровскиий Петровский Мучкапский Мордовский Сампурский Сосновский Токаревский Жердевский Ржаксинский Никифоровский Мичуринский Кирсановский Знаменский Рассказовский Первомайский Староюрьевский Моршанский Бондарский Уметский Рис. 7. Энергия от альтернативных источников энергии по районам Тамбовской области Для разработанной методики не принципиально, какая структура энергопотребления рассматрива ется, так как все расчеты производятся в долях потребления того или иного энергоресурса от общей суммы. Методика при наличии исходных данных позволяет рассчитать оптимальное соотношение энер гоносителей при максимальном использовании возобновляемых источников энергии.

Методика может использоваться при решении задач перспективного планирования замещения тра диционных источников энергии возобновляемыми. Средневзвешенная себестоимость энергии может служить одним из главных критериев выбора наиболее рационального варианта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи обеспечения повышения эффективности систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, на правленных на оптимизацию систем электроснабжения с применением альтернативных источников энергии для средних и мелких потребителей районов Тамбовской области.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований сводятся к следующему:

1. Разработана структура математической оценки гелиоэнергетических, ветроэнергетических, биога зовых ресурсов Тамбовской области, позволяющая определять энергетический потенциал.

2. Создана математическая модель и алгоритмы, обеспечивающие определение необходимых ре сурсов для создания систем снабжения энергией обособленных потребителей.

3. Разработана методика анализа и синтеза рациональной структуры системы энергопотребления раз личных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Она позволяет решать задачи: проектирования оптимальных систем электроснабжения с возобновляемыми источни ками энергии;

определения ветрового, солнечного и биогазового потенциала;

снижения экологического ущерба при уменьшении вредных выбросов от ТЭЦ.

4. Оптимизирована структура систем энергопотребления потребителей с использованием возобнов ляемых источников энергии. Результаты решения позволяют определить соотношение между различ ными источниками энергии, получить минимальную средневзвешенную себестоимость энергии. Ожи даемая экономия средств за счет снижения средневзвешенного значения себестоимости энергии, при внедрении рациональной системы для Инжавинского района Тамбовской области составит 6,5 млн.

руб./год.

5. Оценен экологический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха Тамбовской области. При возможном применении альтернативных источников энергии экономится 45,84 ГВт·ч в год, за счет чего в Тамбовской области возможно предотвратить экологический ущерб на сумму, соответствующую стоимости сэкономленной электроэнергии, получаемой от традиционных источников питания.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Кобелев А.В. К вопросу решения задач энергоснабжения мелких хозяйств с помощью автономных возобновляемых энергосистем / А.В. Кобелев // VII Науч. конф. ТГТУ: Пленар. докл. и кр. тез. Тамбов, 2002. Ч. 1. С. 152.

2. Калинин В.Ф. Оценка возможности использования ветроэнергетики в Тамбовской области / В.Ф.

Калинин, К.А. Набатов, А.В. Кобелев // Электроснабжение, электрооборудование, энергосбережение:

Матер. Междунар. науч.-техн. конф. / РХТУ им. Д.И. Менделеева. Новомосковск, 2002. С. 83 – 85.

3. Кобелев А.В. Методика для определения возможности использования ветроэнергетики в Там бовской области / А.В. Кобелев // VIII Науч. конф. ТГТУ: Пленар. докл. и тез. Тамбов, 2003. Ч. 1. С.

151.

4. Шувалов А.М. Определение солнечного потенциала для условий Тамбовской области / А.М. Шу валов, А.В. Кобелев // Электроснабжение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Матер. III Между нар. науч.-техн. конф. / ГНУВИЭСХ. М., 2003. Ч. 4. С. 55 – 57.

5. Кобелев А.В. Вопросы использования ветровой и солнечной энергии в климатических условиях Тамбовской области / А.В. Кобелев // Электроснабжение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Ма тер. III Междунар. науч.-техн. конф. / ГНУВИЭСХ. М., 2003. Ч. 4. С. 36 – 38.

6. Калинин В.Ф. Оценка возможности использования ветроэнергетики Тамбовской области / В.Ф.

Калинин, К.А. Набатов, А.В. Кобелев // Электрика. М., 2003. № 6. С. 40 – 41.

7. Kalinin V.F. Estimation of a power-wind potential / V.F. Kalinin, K.A. Nabatov, A.V. Kobelev // 1st International conference on energy efficiency: New and Renewal Energies.

Solar Energy. Wind Energy. Algeria: 2003. tom 1. P. 61 – 67.

8. Калинин В.Ф. Оценка возможности использования ветроэнергетики в Тамбовской области / В.Ф.

Калинин, К.А. Набатов, А.М. Шувалов, А.В. Кобелев // Вестник ТГТУ. 2003. т. 9. № 3. С. 450 – 455.

9. Кобелев А.В. Методика оптимальной замены традиционных источников энергии альтернативными / А.В. Кобелев, К.А. Набатов, О.В. Исаева // Перспективы развития энергетического комплекса Тамбов щины: Науч.-практ. конф. / ТГТУ. Тамбов, 2004. С. 135 – 141.

10. Кобелев А.В. Методика по использованию альтернативных и возобновляемых источников энер гии / А.В. Кобелев, В.Ф. Калинин, К.А. Набатов // Электроэнергетика, энергосберегающие технологии:

Матер. Всеросс. науч.-техн. конф. / ЛГТУ. Липецк, 2004. Ч. 2. С. 49 – 53.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве заключается в следующем:

В работе [2] оценена возможность использования ветроэнергетики в Тамбовской области по полу ченным зависимостям;

в работе [4] определены зависимости для нахождения солнечной энергии, и в работах [6], [7], [8], [9] описана методика определения ветроэнергетического потенциала, описана мето дика определения оптимальной замены традиционных источников энергии нетрадиционными возоб новляемыми источниками энергии.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.