Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
: 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов
энергии. — Всероссийский научно-исследовательский институт
электрификации сельского хозяйства. — Москва, 2016.
Целью работы является исследование влияния факторов, включая
выявленных автором, на технико-экономические показатели (ТЭП) ЭКВ и
разработка научно-методических положений, принципов, алгоритмов и
численных методов определения оптимального состава, параметров и
режимов работы ЭКВ с учетом их технических, эксплуатационных и
экономических характеристик, характеристик ВЭП и графиков нагрузки.
В соответствии с целью работы поставлены и решены следующие задачи:
Усовершенствовать методику определения характеристик местного ВЭП и
расчета мощности и выработки ВЭУ на основе комплексного
использования накопленных в России данных метеорологических (МС) и
аэрологических (АС) станций, и данных 1-2-х годовых измерений ветра
на ветроизмерительных комплексах (ВИК), и исследовать с помощью
развитой методики пространственно-временную структуру местного ВЭП
и энергетические показатели ВЭУ в составе ЭКВ разного временного
разрешения (от минутных до годовых).
Исследовать зависимости ТЭП ЭКВ от местного ВЭП; технических и
эксплуатационных характеристик ЭКВ; значений нагрузки, стоимости
оборудования, топлива, эксплуатации и других экономических
показателей.
Разработать методические положения, принципы, алгоритмы и численные
методы расчета и анализа совокупного влияния факторов, определяющих
ТЭП ЭКВ.
Провести с помощью разработанной методики исследования ТЭП ЭКВ в
ряде районов РФ и определение для них оптимального состава и
параметров ЭКВ.
Установить экономическую целесообразность использования ЭКВ, а
также масштабы и перспективные регионы их использования.
Объектом исследования данной работы являются энергетические
комплексы на базе потребляющих топливо и ветроэлектрических
установок.
Предметом исследования в настоящей работе являются ТЭП ЭКВ на базе
дизельных (ДГУ), газовых поршневых (ГПУ) или турбинных (ГТУ)
установок и ВЭУ для автономного энергоснабжения или параллельной
работы с электросетью по заданным графикам нагрузки, а также
методические, технические и экономические проблемы повышения
эффективности использования ЭКВ в России.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были
использованы методы математического и компьютерного моделирования,
эксперимента, математической статистики, программирования.
Научная новизна проведенного исследования состоит в следующем:
Выполнены наиболее детальные и комплексные исследования ВЭП и
прогнозирование ТЭП ЭКВ с использованием результатов наблюдений МС
и АС станций и данных специализированных ветроизмерительных
комплексов (ВИК).
Разработаны эффективные алгоритмы комплексного расчета ТЭП ЭКВ,
позволяющие учитывать и более точно моделировать и анализировать
следующие выявленные автором факторы при оптимизации состава ЭКВ:
наличие годовой, суточной и часовой изменчивости ветровых
характеристик и штилей различной продолжительности, зависящей от
высоты над поверхностью;
наличие 10-минутных пульсаций ветра и мощности ВЭУ, приводящих к
нестабильным режимам работы и частым отключениям–включениям ДГУ и
ГПУ;
разное временное осреднение (среднее годовое, сезонное, месячное)
при моделировании функций распределения скоростей и направлений
ветра;
недостоверность корреляции скоростей ветра, определяемых по
многолетним метеоданным и данным 1 - 2-х годовых измерений на ВИК;
учет региональной и локальной специфики высотных профилей скорости
ветра;
наличие значительных в разные сезоны и в различных районах суточных
и сезонных колебаний плотности воздуха;
наличие и использование разных по точности методик расчета
характеристик ветра, из которых наиболее перспективны для России,
согласно анализу автора, методика WASP (RISO, Дания) и российская
методика НИЦ "АТМОГРАФ".
Впервые сформулирована и исследована задача о влиянии 10-минутных
флукту-аций скоростей и направлений ветра на энергетические
показатели ВЭУ, а также на сокращение ресурса ДГУ и ГПУ в составе
ЭКВ.
Разработана эффективная методика определения параметров ЭКВ,
комплексно учитывающая параметры местного ВЭП, ТЭО ЭКВ и графики
нагрузки.
Практическая ценность работы состоит в разработанной методике,
обеспечивающих ускоренное экономичное и достоверное проведения ТЭО
ЭКВ для различных графиков нагрузки и ветроклиматических условий.
С использованием разработанной численной методики выполнены ТЭО
оптимальных составов ЭКВ для трех регионов России: Крыма в районе
Керчи, Якутии в районе Тикси и на южном Сахалине в районе поселка
Новиково. На базе проведенных расчетов был реализован проект ВДК в
поселке Новиково.
Используя созданную методику установлены целесообразные масштабы
использования, объемы замещения топлива, экономический и
экологический эффекты внедрения ЭКВ по административным субъектам и
РФ в целом, способствующие планированию региональныхифедеральных
энергетических программ.
Введение
Современное состояние и перспективы развития энергетических комплексов на базе ветроэнергетических установок в мире и России
Обзор современного уровня и перспектив развития и использования энергокомплексов на базе ВЭУ в мире и России
Экономические показатели современных ДГУ, ГПУ/ГТУ и ВЭУ в РФ и мире
Оценка установленных мощностей и технико-энергетических показателей ЭК на базе ДЭС, ГПУ и ГТУ в России
Основные выводы к главе
Уровень развития и анализ возможностей зарубежных и российских методик определения характеристик ветроэнергетического потенциала и прогнозирования энергетических показателей ВЭУ
Оценка возможностей ведущих зарубежных методик. Полуэмпирическая
Методика измерений характеристик ветрового потока с использованием специализированных ветроизмерительных комплексов
Анализ возможностей ведущих отечественных методик
Основные выводы к главе
Разработка методики выбора оптимальных составов и параметров ЭК на базе ВЭУ для России
Ключевые факторы, определяющие выбор оптимальных составов, технических и энергетических параметров ЭКВ в российских условиях
Технологические и инфраструктурные ограничения строительства и эксплуатации ВЭС в российских условиях
Климатические и геологические ограничения использования ВЭС
Технико-экономические критерии определения оптимальных параметров ЭКВ, работающих по графикам электрической нагрузки
Развитие методики определения оптимального состава ДЭС с учетом графиков нагрузки
Исследование микромасштабных вариаций скорости ветра и их влияния на определение состава и режимов работы ЭК на базе ВЭУ
Численная реализация методики определения параметров ЭКВ на базе
ВЭУ с учетом графиков нагрузки-потребления энергии
Верификация и сравнительный анализ достоверности развиваемой автором методики с известными и используемыми в России
Основные выводы к главе
Использование развитой методики для исследования влияния различных факторов на технико-экономические показатели ВДК
Исследование влияния состава и технических параметров ДГУ на ТЭП ЭКВ
Модели критериев экономической эффективности ДЭС
Исследование влияния комплектации, мощностей, ресурсов и расходных характеристик ДГУ на ТЭП ДЭС
Влияние ресурсных характеристик ДГУ на ТЭП ДЭС
Роль допустимых диапазонов работы ДГУ в составе ВДК
Влияние стоимости комплектующих ДГУ и топлива на ТЭП ЭКВ
Исследование влияния ТЭП базовых ВЭУ и характеристик ВЭП на технико-экономические показатели ВДК
Влияние выбора периода осреднения скоростей ветра и функций распределения ветра по скоростям на точность определения ТЭП ВДК
Роль соотношения мощностей ДГУ в ВДК
Анализ возможности и достоверности использования данных различных измерительных станций для моделирования ВЭП и ТЭП ВДК
Исследование временных вариаций скорости ветра на ресурсные и экономические показатели ВДК
Анализ используемых методов аппроксимации вертикальных профилей скорости ветра
Выбор высоты башни ВЭУ
Выбор базовых моделей ВЭУ
Связь стоимостных характеристик ВЭС с ТЭП ВДК
Анализ возможностей реализации избыточной ЭлЭн ВДК
Роль коэффициента дисконтирования при оценке ТЭП ВДК
Исследование влияния параметров (графиков) нагрузки
Сравнительный анализ влияния рассмотренных факторов на ТЭП ВДК
Основные выводы к главе
Практическое применение разработанной методики для проектирования ЭК на базе ВЭУ
Разработка оптимального состава ВДК для поселка Новиково Корсаковского района Сахалинской области
Анализ графиков электрической нагрузки в исследуемом пункте
Моделирование характеристик ветра в пунктах возведения ВЭС
Определение и сравнительный анализ показателей ВДК и выбор оптимального соотношения суммарных мощностей ДЭС и ВЭС
Расчет и сравнительный анализ показателей ВДК в зависимости от используемых моделей и типоразмеров ВЭУ
Обоснование оптимального состава ВДК для поселка Тикси
Графики потребления электрической мощности в исследуемом пункте
Оценка ветроэнергетического потенциала в пункте возведения ВЭС
Определение оптимального соотношения мощностей ДЭС и ВЭС
Расчет и сравнительный анализ показателей ВДК на базе ВЭУ разных производителей и типоразмеров
Разработка оптимального состава ЭК на базе ГПУ и ВЭС для г. Керчи
Оценка целесообразных масштабов и эффектов внедрения и использования ЭК на базе ВЭУ в России
Расчет возможных и целесообразных масштабов использования ЭК на базе ВЭУ в административных субъектах РФ и России в целом
Исследование эффекта использования в России ЭКВ в решении проблем ресурсосбережения и увеличения экспортного потенциала
Оценка экономического эффекта использования ЭКВ в России
Исследование эффекта использования в России ЭКВ в обеспечении энергобезопасности, надежности энергоснабжения и сдерживания тарифов
Оценка экологического эффекта использования ЭК на базе ВЭУ в России
Анализ возможностей использования ЭК на базе ВЭУ в АПК России
Соображения о необходимых условиях развития и широкомасштабного использования ЭК на базе ВЭУ в России
Основные выводы к главе
Основные выводы к диссертационной работе
Список литературы
Современное состояние и перспективы развития энергетических комплексов на базе ветроэнергетических установок в мире и России
Обзор современного уровня и перспектив развития и использования энергокомплексов на базе ВЭУ в мире и России
Экономические показатели современных ДГУ, ГПУ/ГТУ и ВЭУ в РФ и мире
Оценка установленных мощностей и технико-энергетических показателей ЭК на базе ДЭС, ГПУ и ГТУ в России
Основные выводы к главе
Уровень развития и анализ возможностей зарубежных и российских методик определения характеристик ветроэнергетического потенциала и прогнозирования энергетических показателей ВЭУ
Оценка возможностей ведущих зарубежных методик. Полуэмпирическая
Методика измерений характеристик ветрового потока с использованием специализированных ветроизмерительных комплексов
Анализ возможностей ведущих отечественных методик
Основные выводы к главе
Разработка методики выбора оптимальных составов и параметров ЭК на базе ВЭУ для России
Ключевые факторы, определяющие выбор оптимальных составов, технических и энергетических параметров ЭКВ в российских условиях
Технологические и инфраструктурные ограничения строительства и эксплуатации ВЭС в российских условиях
Климатические и геологические ограничения использования ВЭС
Технико-экономические критерии определения оптимальных параметров ЭКВ, работающих по графикам электрической нагрузки
Развитие методики определения оптимального состава ДЭС с учетом графиков нагрузки
Исследование микромасштабных вариаций скорости ветра и их влияния на определение состава и режимов работы ЭК на базе ВЭУ
Численная реализация методики определения параметров ЭКВ на базе
ВЭУ с учетом графиков нагрузки-потребления энергии
Верификация и сравнительный анализ достоверности развиваемой автором методики с известными и используемыми в России
Основные выводы к главе
Использование развитой методики для исследования влияния различных факторов на технико-экономические показатели ВДК
Исследование влияния состава и технических параметров ДГУ на ТЭП ЭКВ
Модели критериев экономической эффективности ДЭС
Исследование влияния комплектации, мощностей, ресурсов и расходных характеристик ДГУ на ТЭП ДЭС
Влияние ресурсных характеристик ДГУ на ТЭП ДЭС
Роль допустимых диапазонов работы ДГУ в составе ВДК
Влияние стоимости комплектующих ДГУ и топлива на ТЭП ЭКВ
Исследование влияния ТЭП базовых ВЭУ и характеристик ВЭП на технико-экономические показатели ВДК
Влияние выбора периода осреднения скоростей ветра и функций распределения ветра по скоростям на точность определения ТЭП ВДК
Роль соотношения мощностей ДГУ в ВДК
Анализ возможности и достоверности использования данных различных измерительных станций для моделирования ВЭП и ТЭП ВДК
Исследование временных вариаций скорости ветра на ресурсные и экономические показатели ВДК
Анализ используемых методов аппроксимации вертикальных профилей скорости ветра
Выбор высоты башни ВЭУ
Выбор базовых моделей ВЭУ
Связь стоимостных характеристик ВЭС с ТЭП ВДК
Анализ возможностей реализации избыточной ЭлЭн ВДК
Роль коэффициента дисконтирования при оценке ТЭП ВДК
Исследование влияния параметров (графиков) нагрузки
Сравнительный анализ влияния рассмотренных факторов на ТЭП ВДК
Основные выводы к главе
Практическое применение разработанной методики для проектирования ЭК на базе ВЭУ
Разработка оптимального состава ВДК для поселка Новиково Корсаковского района Сахалинской области
Анализ графиков электрической нагрузки в исследуемом пункте
Моделирование характеристик ветра в пунктах возведения ВЭС
Определение и сравнительный анализ показателей ВДК и выбор оптимального соотношения суммарных мощностей ДЭС и ВЭС
Расчет и сравнительный анализ показателей ВДК в зависимости от используемых моделей и типоразмеров ВЭУ
Обоснование оптимального состава ВДК для поселка Тикси
Графики потребления электрической мощности в исследуемом пункте
Оценка ветроэнергетического потенциала в пункте возведения ВЭС
Определение оптимального соотношения мощностей ДЭС и ВЭС
Расчет и сравнительный анализ показателей ВДК на базе ВЭУ разных производителей и типоразмеров
Разработка оптимального состава ЭК на базе ГПУ и ВЭС для г. Керчи
Оценка целесообразных масштабов и эффектов внедрения и использования ЭК на базе ВЭУ в России
Расчет возможных и целесообразных масштабов использования ЭК на базе ВЭУ в административных субъектах РФ и России в целом
Исследование эффекта использования в России ЭКВ в решении проблем ресурсосбережения и увеличения экспортного потенциала
Оценка экономического эффекта использования ЭКВ в России
Исследование эффекта использования в России ЭКВ в обеспечении энергобезопасности, надежности энергоснабжения и сдерживания тарифов
Оценка экологического эффекта использования ЭК на базе ВЭУ в России
Анализ возможностей использования ЭК на базе ВЭУ в АПК России
Соображения о необходимых условиях развития и широкомасштабного использования ЭК на базе ВЭУ в России
Основные выводы к главе
Основные выводы к диссертационной работе
Список литературы