Введение 9
Постановка задачи: проблемы транспортировки и качества электроэнергии 11
Глава I: Применение энергий ветра и солнца для гибридной системы электроснабжения 15
1.1 Возобновляемые источники энергии: сравнение ветра и солнца 16
1.1.1 Энергия ветра 20
1.1.2 Фотоэлектрическая солнечная энергия 22
1.2 Оценка возобновляемого потенциала региона 24
1.2.1 Ветровой потенциал региона 26
1.2.2 Солнечный потенциал региона 28
1.3 Солнечная электростанция 35
1.3.1 Схемы построения 35
1.3.2 Описание основного оборудования 41
1.3.3 Методы повышения эффективности 43
Глава II: Оценка параметров солнечной электростанции 46
2.1 Расчет необходимого числа фотоэлектрических панелей 46
2.2 Расчет емкости накопителей 51
2.2.1 Выработка электроэнергии 51
2.2.2 Динамика разряда-заряда батарей 55
Глава III: Технико-экономическое сравнение схем электроснабжения 60
3.1 Расчет стоимости повышения класса напряжения питающей ВЛ по укрупненным стоимостным
показателям 61
3.2 Гибридная система электроснабжения без применения солнечных трекеров 68
3.3 Гибридная система электроснабжения с применением солнечных трекеров 71
Заключение 79
Список использованных источников 103
Приложения 110
Объектом исследования является Система электроснабжения сельского поселения
Цель работы – Сравнение традиционных и нетрадиционных решений для системы
электроснабжения сельского поселения
В процессе исследования проводились сбор и анализ данных по электропотреблению,
астрономических, метеорологических, географических данных исследуемого региона,
исторических сведений о рассматриваемых технология, стоимостных данных оборудования;
оценка потенциалов доступных ВИЭ; расчет и выбор необходимого оборудования для местной
генерации СЭС для вариантов фиксированного положения PV панелей и с применением
системы солнечного слежения; расчет динамика заряда и разряда батарей, оценка срока службы
батарей и определение их оптимального количества; расчет по укрупненным показателям
стоимости замены ВЛ 10 кВ на ВЛ 35 кВ для вариантов исполнения на стальных и
железобетонных опорах; технико-экономический анализ традиционных и нетрадиционных
решений для системы электроснабжения сельского поселения
В результате исследования были рассмотрены и проанализированы стандартные и
нестандартные варианты решений для системы электроснабжения сельского поселения и даны
рекомендации по обеспечению качества доставляемой потребителям энергии
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные
характеристики: выполненная работа позволяет судить об эффективности ранее
использованной стратегии централизации электроснабжения, которая с технической и
экономической точек зрения неприменимы в масштабах всей России, должна быть
использована для наиболее плотно заселенных регионов страны. Экономический расчет
традиционного и нетрадиционного способов решения задачи электроснабжения сельского
поселения показал несостоятельность стандартного решения в условиях текущих требований к
качеству и надежности электроснабжения.
Решения оценивалось по верхней границе затрат, что означает, что в случае реализации
рекомендуемого варианта электроснабжения экономическая эффективность будет выше
расчетной. Реализация проекта гибридной системы электроснабжения также позволит избежать
затрат, связанных с передачей электроэнергии по длинной одноцепной ВЛ 10 кВ, а также
потенциальных затрат на возмещение ущерба, наносимого электроприемникам потребителей
электрическим током с параметрами, не соответствующими текущим требованиям.
По материалам данной работы в дальнейшем возможен расчет проектов систем
электроснабжения удаленных и сельских потребителей, системы электроснабжения которых
требуют доработки с силу технических и экономических причин.
Степень внедрения: практическое внедрение работы для исследуемого объекта пока не
рассматривалось
Область применения: электроснабжение удаленных и сельских потребителей,
децентрализованные системы электроснабжения7
Экономическая эффективность/значимость работы решение с наилучшими
экономическими показателями без учеба сторонних факторов (убытки, связанные с
повреждением электроприемников потребителей по вине электроснабжающией компании,
которые невозможно оценить ввиду специфики каждого отдельного прибора) является
убыточным для предприятия. Однако реализация проекта позволит избежать потенциальных
убытков, связанных с качеством электрической энергии, а также снизит потери электроэнергии
при передаче по проводам длинной ВЛ среднего напряжения
В будущем планируется применение использованного в работе комплекса методов для
разработки схожих схем электроснабжения удаленных и сельских потребителей.
Человек всю свою историю получал из разных ресурсов энергию, которую
использовал для создания благоприятной среды для собственной жизни. Форма
использованной энергии менялась на протяжении веков, а рост уровня
потребления энергии положительно влияет на экономику общества [1]. Сотни
тысяч лет назад потребление энергии человеком началось с использования огня
для обогрева, приготовления пищи и освещения. Это было началом органической
экономики в истории человечества. Использование огня привело к зарождению
ремесла. Впоследствии люди нашли способы использования энергий воды и ветра
для сельскохозяйственных и других целей [2].
Благоприятная окружающая среда приводит к росту популяции, что
означает сокращение количества доступных товаров на душу населения.
Растущий спрос на товары привел к так называемой «промышленной революции»
– новой вехе в технологическом развитии и энергопотреблении. В этот момент
произошел переход к экономике ископаемого топлива. С тех пор наблюдается
заметное увеличение потребления энергии [3]. При использовании новых объемов
энергии уровень экономического развития продолжал расти. Современный
человек потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный, и живет в 4 раза
дольше [3].
В настоящее время наиболее распространенной формой энергии является
электричество, и этому есть несколько причин:
электричество невесомо;
удобно для различных преобразований, передачи и распределения;
обладает высокой эффективностью с точки зрения потребления энергии, и
другие.
Процесс вытеснения других видов энергии электричеством, введения
электричества в новых районах называется электрификацией. Она играет важную
роль в экономическом развитии страны и благосостоянии населения.
Электрическая энергия, генерируемая электростанциями, передается на
большие расстояния конечным потребителям благодаря электрической сети –
объединенной сети для транспортировки энергии. Можно выделить два основных
элемента электрической сети: подстанция и линия электропередачи. Подстанции
используются для приема, преобразования и распределения электроэнергии.
Линии электропередач используются для передачи электроэнергии.
В зависимости от расстояния передачи и количества передаваемой энергии
выбирается класс напряжения линии электропередачи. Например, в России
максимальная длина максимально загрузенной ВЛ 10 кВ составляет 5 км [4], а10
длина для ВЛ 10 кВ меньших нагрузок не должна превышать 15 км.
Первоначально, однако, требования к качеству энергии были менее строгими. Это
объясняется выбранной стратегией первого этапа электрификации – стратегией
широкомасштабного внедрения централизованного электроснабжения, который
на сегодняшний день считается завершенным. В связи с повышением требований
к качеству электрической энергии и надежности электроснабжения, сельские сети
(особенно 0,4-10 кВ) уже не удовлетворяют им. Нынешние задачи сельского
строительства и условия сельских сетей в России описаны в разделе постановки
задачи. В этом разделе также описываются текущие проблемы и недостатки
централизованной системы электроснабжения села Байкальское.
Централизованная электрическая сеть зачастую находится вдали от сельской
местности, либо не является надежной, либо подключение к сети дорого. В этих
случаях использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для
гибридной системы электроснабжения может быть экономически
привлекательным решением задачи электрификации.
Село Байкальское имеет выгодное расположение на побережье Байкала. Вопервых, прибрежный ветер вблизи воды сильнее бореального лесного ветра, а,
следовательно, такое место должно обладать ветровым потенциалом. Во-вторых,
здесь атмосферная проницаемость в бассейне озера Байкал довольно высока, а
продолжительность солнечного сияния здесь превышает 2000 часов (≈23%
времени) в год. Следовательно, в селе есть солнечный потенциал. Таким образом,
в первой главе приводится описание доступных ВИЭ для локальной
электростанции. Эти источники рассматриваются в мировом масштабе, а также
оцениваются для села Байкальское. В частности, выполнена оценка потенциалов
ветра и солнца.
Во второй главе рассчитаны ежедневный и ежемесячный спросы села на
электроэнергию, выполнена оценка необходимого количества различного
оборудования для электростанции.
В последней главе произведено экономическое сравнение возможных
альтернатив. Традиционное решение задачи заключается в повышении класса
напряжения питающей линии. Рассматриваются два типа опор для новой линии:
стальные и железобетонные. Данные сценарии оцениваются с использованием
укрупненных показателей стоимости строительства. Нетрадиционное решение
заключается в возведении электростанции на основе ВИЭ и комбинировании ее с
существующей системой электроснабжения для обеспечения потребителя
электроэнергией со стабильными, ограниченными параметрами. И наконец, для
определения наиболее оптимального решения данной задачи, производится.
В данной магистерской диссертации предлагается решение проблемы
электроснабжения села Байкальского. Вопросы качества электричества и
электропередачи сельских сетей России в целом и в селе Байкальском в частности
обсуждались в разделе постановки задачи. Во время сбора данных автор
столкнулся с рядом трудностей, связанных с подробным потреблением
электричества и качеством электроэнергии при разных нагрузках. Реальный
график нагрузки в деревне также не был доступен, поэтому был использован
типовой суточный график нагрузки сельских районов. На качество
электроэнергии в деревне влияют другие потребители, расположенные вдоль
питающей деревню ВЛ. Для получения таких данных необходимо провести более
глубокое исследование и, следовательно, привлечь финансирование для этой
цели. Тем не менее, автор обсуждает возможные причины долгосрочных
изменений напряжения в селе, которые имеют как традиционное, так и
нетрадиционное решение.
Традиционным решением этой задачи является переход на ВЛ более
высокого напряжения. С точки зрения типа поддерживающих ВЛ опор, этот
сценарий подразделяется на две альтернативы: с применением либо стальных,
либо железобетонных опор. Нетрадиционным решением является создание
гибридной системы электроснабжения, которая может сочетать централизованное
энергоснабжение с локальной генерацией на основе ВИЭ.
В Главе 1 приведен литературный обзор и оценка доступных в селе
Байкальком ВИЭ для строительства гибридной системы электроснабжения, в
частности, ветровая и солнечная энергия. Использование этих источников и доля
каждого источника во всех ВИЭ были показаны в мировом и государственных
масштабах. Оценка потенциала ветровой энергии с использованием
среднегодового значения скорости ветра в селе Байкалское показывает, что
применение ветротурбин для этой местности не целесообразно. Оценка
потенциала солнечной энергии проиводилась с использованием имитационной
модели, построенной в ПО Mathcad. Согласно результатам выполненного
моделирования, этот регион обладает высокой солнечной инсоляцией, что
согласуются с общими статистическими данными о солнечной инсоляции в
бассейне озера Байкал, которые были собраны и показаны в разделе 1.2.2.
На основе результатов моделирования солнечной инсоляции для села
Байкальского был выполнен расчет параметров СЭС. Этот сценарий разделен на
две альтернативы: СЭС с фиксированным положением PV панелей и СЭС с
применением системы слежения за солнцем. Для обоих из них было рассчитано
необходимое количество оборудования, что показано в Главе 2.80
В Главе 3 описаны экономические модели для традиционных и
нетрадиционных решений существующей проблемы села Байкальского. Хотя
NPV всех сценариев сравнивается по верхней границе инвестиционных затрат,
автор понимает, что стоимость оборудования ВИЭ снижается с течением времени.
Оценка стоимости замены ВЛ произведена с использованием укрупненных
показателей стоимости строительства. Показано, что с экономической точки
зрения гибридная система электроснабжения является гораздо более
привлекательным решением по сравнению со сценариями замены ВЛ на линию
более высокого напряжения.
Анализ затрат и выгод сценариев СЭС, выполненных автором, уточняет
стабильность проектов и показывает, в каких условиях применение системы
слежения за солнцем целесообразно.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
