WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Комбинированных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии для электроснабжения автономных потребителей нигерии

На правах рукописи

Бойи Джимо

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НИГЕРИИ

Специальность: 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых

видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре «Нетрадиционные и возобновляемые источников энергии» МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Владимир Иванович Виссарионов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Эдуард Дмитриевич Сергиевский

- кандидат технических наук, доцент

Игорь Иванович Тюхов

Ведущая организация: лаборатория “Возобновляемые источники

энергии” Московского государственного

университета им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится “ 26 “ октября, 2007г. в 15 00 ч. в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Энергетический Институт (Технический Университет)» по адресу: 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д 17, 2-й этаж, корпус «Г».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просим присылать по адресу: 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан “ “, 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.03

кандидат технических наук, доцент Бердник Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Федеративная Республика Нигерия находится в западной Африке в тропических широтах северного полушария, площадь – 923 768 кв. км, население страны составляет около 138 миллионов человек и плотность населения – 127 человек на 1 кв. км. (2005 г). Городское население страны – 38%, а сельское – 62% и только около 40 % населения подключено к единой электроэнергетической системе (ЭЭС) Нигерии, причем его большинство сконцентрировано в городах. С одной стороны, острый недостаток электроэнергии в Нигерии, особенно в сельских местностях, которые на больших расстояниях находятся от сетей ЭЭС страны. Причиной этому послужило: высокая степень износа основных производственных мощностей электростанций ЭЭС Нигерии (до 45%); высокие потери электроэнергии при ее транспортировке по межрегиональным и региональным электросетям (до 40%); неравномерность расположения электростанций ЭЭС по всей стране; острый дефицит инвестиционных ресурсов отраслях энергетики Нигерии; сильно изношенное состояние (более 50%) электрических сетей страны. Особенно остро этот вопрос стоит в северо-восточном регионе Нигерии, где отсутствуют электростанции и куда экономически не целесообразно прокладывать линии электропередач. С другой стороны, страна располагает богатыми энергоресурсами на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые в настоящее время не были оценены. Северо-восточные районы Нигерии изолированы от ЭЭС и располагают богатыми возобновляемыми энергоресурсами, такими как солнечные, ветровые и малые гидроэнергетические, поэтому они наиболее перспективны для энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии.

Участие ВИЭ в топливно-энергетическом балансе Нигерии пока остается на очень низком уровне. В сельских районах страны особенно остро стоит вопрос электроснабжения, хотя при этом эти районы располагают огромными неиспользуемыми энергоресурсами на базе ВИЭ. Поэтому приоритетность направления развития ВИЭ в Нигерии, а также их комплексное использование имеет актуальность, прежде всего, для потребителей сельских районов.

С целью выравнивания графиков выработки энергии от возобновляемых источников и надежного электроснабжения потребителей, перспективным считается комбинированное использование ВИЭ в составе системы электроснабжения для локального электроснабжения потребителя, которое позволит решить ряд важных проблем, а именно:

- эффективно использовать все источники энергии отдельно взятого района для электроснабжения за счет создания автономного энергообъекта;

- обеспечить экологическую безопасность работы таких энергообъектов.

- обеспечить постоянное согласование процесса производства и потребления производимой электроэнергии за счет комплексной работы нескольких энергоустановок на основе ВИЭ;

Целью данной диссертационной работы является изучение и обоснование возможностей эффективного использования энергоустановок на основе ВИЭ для электроснабжения локальных потребителей северо-восточных районов Нигерии. Для достижения поставленной цели в данной работе сформированы следующие задачи:

- проведение оценки ресурсов ВИЭ в Нигерии в целом с целью определения экономически-эффективного потенциала и расчета технико-экономической целесообразности использования ВИЭ;

- проведение районирования территории северо-восточных районов Нигерии по потенциалам ВИЭ и выявление регионов, наиболее благоприятных для комбинированного их использования;

- проведение анализа особенностей систем электроснабжения на основе ВИЭ и их технических схем с учетом специфики районов;



- выявление основания базовых принципов проектирования и технико-экономического обоснования строительства автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ;

- разработка методики эффективности использования комбинированных энергоустановок на основе ВИЭ для электроснабжения децентрализованного потребителя северо-восточных районов Нигерии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Оценены и определены теоретические энер­горесурсы возобновляемых источников Нигерии;

2. Проведено районирование территории Нигерии для комплексного применения ВИЭ;

3. Сформулированы основные принципы и стадии проектирования энергокомплекса (ЭК) на основе ВИЭ;

4. Обоснована возможность комплексного использования ВИЭ для электро­снабжения автономного потребителя на севере Нигерии.

5. Проведено технико-экономическое обоснование целесообразности исполь­зования ЭК на основе ВИЭ на севере Нигерии.

Личный вклад автора: Впервые проведена оценка возобновляемых энергоресурсов на территории Нигерии и выявлены наиболее перспективные районы для их применения в изолированных ЭК. Разработаны новые подходы к выбору и обоснованию типовой схемы ЭК на базе ВИЭ для электроснабжения автономных потребителей различных районов Нигерии. Уточнена методика для определения основных элементов ЭК на базе ВИЭ с учетом особенностей Нигерии.

Достоверность полученных результатов и выводов в работе, обеспечивается:

  • Применением доставленных и широко известных методик и подходов, применяемым в научно-технических основах использования ВИЭ.
  • Отклонением многолетних климатических данных от наземных метеостанций и спутниковых данных от НАСА, составлявшееся от ± 2% до ± 10%.

Практическая значимость работы. В результате проведенной работы была получена ос­новная информация по валовым ресурсам ВИЭ и их распределению по территории Нигерии, что позволяет оценить перспективность их использования в любом регионе страны. Также в работе разработан подход и выбрана схема ЭК на базе ВИЭ для автономного электроснабжения выбранного типового региона, расположенного на северо-востоке страны. Разработанную схему ЭК на базе ВИЭ можно рассматривать в качестве типовой для электроснабжения других регионов Нигерии.

Апробация работы. Результаты выполненной работе докладывались и обсуждались на конференциях: The Proceedings of the International Scientific Conference on POWER INDUSTRY AND MARKET ECONOMY (Ulaanbaatar, Mongolia, 2005); Двенадцатой международной научно – технической конференций студентов и аспирантов (Москва 2006); International Conference and Exhibition on Power and Telecommunications (ICEPT 2006) Proceedings “Exploiting Energy and Communication Potentials for Sustainable Development”, Lagos, Nigeria, October, 2006; и тринадцатой международной научно – технической конференций студентов и аспирантов (Москва 2007) а так же на научных конференциях и заседаниях кафедры НиВИЭ МЭЙ (ТУ).

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Основные положения, выносимые на зашиту:

1 – результаты анализа оценки энергопотенциала ВИЭ Нигерии и выявление районов, пригодных для комбинированного их использования;

2 – основные принципиальные схемы и структурно-функциональные схемы для проектирования и строительства ЭК на основе ВИЭ;

3 – результаты анализа возможных путей решения проблем устойчивого электроснабжения локальных потребителей северо-восточной Нигерии;

4 – методика определения параметров и обоснования эффективности комбинированного использования энергоустановок ЭК на основе ВИЭ в северо-восточной Нигерии;

5 – результаты технико-экономической оценки целесообразности использования ЭК на основе ВИЭ в северо-восточной Нигерии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Она содержит 173 страницы машинописного текса, 37 рисунков, 50 таблиц и список цитируемой литературы из 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования а также показана практическая значимость и новизна получаемых результатов. Приведены сведения об апробации работы и ее краткая характеристика.

В первой главе изложены общие сведения о Нигерии: население, территория, административно-территориальное деление, природа и экономика. Приводятся общие сведения по основным задачам исследований; дается обзор: современного состояния топливно-энергетического комплекса, использования ВИЭ и основных проблем развития возобновляемой энергетики в Нигерии; рассматриваются существующие электроэнергетические проблемы в Нигерии и возможные путы решения этих проблем.

В настоящее время в Нигерии электроэнергия вырабатывается, в основном, на тепловых станциях (ТЭС) и крупных гидроэлектростанциях (ГЭС). ЭЭС Нигерии имеет структуру, при которой значительная часть страны, особенно ее северная часть, остается не охваченной распределительными сетями, поэтому там наблюдается дефицит электроэнергии.

В результате проведенного анализа существующего энергоснабжения сельских потребителей с учетом социально-территориальных различий в условиях и образе жизни населения северо-восточной Нигерии было выявлено, что структура энергоносителей в быту больше склоняется к использованию топливных ресурсов, в частности к дровам, в меньшей степени используются газ и керосин (не более 5,5%). Доля электроэнергии в этой структуре составляет не более 3%. Установленная мощность бытовых электроприборов в среднем для одного сельского дома составляет порядка 0,97 - 1,12 кВт. Учитывая повсеместное удорожание топливных ресурсов, сложности осуществления их доставки и возрастающего дефицита необходимо найти им замену на другие виды ресурсов электрической энергии.

Решение проблем покрытия наблюдающегося дефицита электроэнергии в децентрализованных населенных пунктах, в настоящее время является приоритетной задачей для улучшения социально-экономического развития регионов. Весомый вклад в решение проблем энергетического сектора и районов децентрализованного электроснабжения может внести формирование благоприятной структуры топливно-энергетического баланса на основе использования экологически безопасных ресурсов ВИЭ.

Однако, известно, что использование энергии только одного вида возобновляемого источника не позволит обеспечить полную электрификацию локального потребителя из-за непостоянства прихода первичного ресурса ВИЭ. Поэтому имеется необходимость рассматривать комбинированное использование энергоустановок на основе ВИЭ. Такой подход: даст более эффективное электроснабжение изолированных потребителей; позволит снизить стоимость аккумулирующих устройств; снизит зависимость работы системы электроснабжения на основе ВИЭ от сезона года и погодных условий; повысит надежность электроснабжения потребителя и сократит капитальные вложения всей системы в целом.

Во второй главе проведен анализ оценки энергетических ресурсов возобновляемых источников по всей территории Нигерии. Информация о поступлении энергоресурсов ВИЭ фиксируется актинометрическими метеостанциями. Поскольку наземные метеостанции Нигерии находятся, в основном, рядом с городскими аэропортами в крупных городах страны и их немного, то существуют целые регионы в стране, где полностью отсутствуют данные метеонаблюдений о приходе энергоресурсов. Проблема получения достаточно достоверной информации о энергоресурсах ВИЭ Нигерии по территории всей страны была решена с помощью базы данных НАСА (NASA*- National Aeronautics and Space Administration).

По базе данных NASA территория Нигерии была разбита на 86 зон (см. рис.1), для каждой из которых была получена следующая информация:

- среднемноголетние суммарные приходы солнечной радиации за сутки, R, кВтч/м2;

- среднемноголетние значения скорости ветра Vo на высоте 50 м от земли, м/с;

- среднемноголетние осадки за сутки h, мм/сут;

- средние отметки над уровнем моря, м.

Отклонение фактических данных по существующим метеостанциям Нигерии от данных базы НАСА составило от ± 2 % до ± 10 %, что сопоставимо с погрешностью применения интерполяционных методов для получения данных в регионах страны, где отсутствуют метеостанции.

При помощи компьютерного программного обеспечения "Surfer-8" были построены топограммы суточных изолиний постоянных значений среднемноголетнего суммарного прихода солнечной радиации на горизонтальной поверхности, среднемноголетнего значения скорости ветра, среднемноголетних осадков и отметок над уровнем моря в масштабе (1:500000).

Величина солнечного излучения по территории Нигерии колеблется в диапазоне от 4,3 до 6,7 кВт·ч/м2·сут и зависит от климатических и географических специфик разных регионов страны. Наиболее солнечным регионом является север страны, где солнечная радиация превышает 5,8 кВт·ч/м2 ·сут. Около 30% от всей территории Нигерии, в основном южные районы страны, харак­теризуются поступлением солнечной радиации от 4,8 до 5,5 кВт·ч/м2·сут. На всей остальной территории среднегодовые суммы солнечной радиации ока­зываются выше от 5,8 до 6,7 кВт·ч/м2·сут. Валовый потенциал солнечной энергии, приходящей на горизонтальную поверхность всей территории Нигерии, за год составляет 1906,6441012 кВтч.





 азбиение территории Нигерии на участки в базе данных НАСА (дробь-0

Рисунок 1 Разбиение территории Нигерии на участки в базе данных НАСА

(дробь обозначает широту/долготу ячейки (участка), а номер ячейки с чертой снизу)

Ветроэнергетический потенциал зависит от таких параметров, как скорость ветра, высота от уровня земной поверхности и времени года. Таким образом, ветроэнергетический потенциал будет различен для разных ландшафтных зон и характерных точек для каждой из них. Наиболее ветреным, на высоте 50 м., регионом является север страны (более 5 м/с). Значительная часть территории Нигерии (около 30% от всей территории Нигерии), в основном южные районы страны, харак­теризуются поступлением скорости ветра от 2,4 до 4,5 м/с. Валовый потенциал ветровой энергии на высоте 50 м от поверхности земли для всей территории Нигерии за год составляет 5,2051012 кВтч. и лишь 9 % от нее экономически целесообразно использовать, т.к. суммарный валовый потенциал ВЭ для районов на севере страны, где V0 превышают 5 м/с, составляет 0,561012 кВтч.

В Нигерии можно выделить две основные речные системы: Нигер-Бенуэ, Чад, к которым относится большинство рек страны за исключением нескольких рек, которые непосредственно впадают в Атлантический океан: Кросс, Огун, Ошун, Имо и другие. Две речные системы Нигер-Бенуэ и Чад разделены водоразделом, расширяющимся с северо-востока на северо-запад от плато Баучи, на котором берут свое начало многие реки. К северо-западу от плато Баучи находится возвышенная равнина, по которой протекают многочисленные мелководные реки и ручьи, являющиеся главным источником питания реки Сокотто – Кебби. Климат Нигерии является тропическим, характеризуется высокими температурами и влажностью. Среднегодовое количество осадков, выпадающих, за год, уменьшается с побережья (юга станы) на север. На юге страны среднегодовое количество осадков составляет 1800–2500 мм в год, в то время как на севере не превышает 1000 мм/год. Исходной информацией для проведения расчетов по оценке валового потенциала гидроэнергетических ресурсов Нигерии, в работе автором приняты топограммы с изолиниями постоянных среднемноголетних осадков (h, мм/сут) и отметок над уровнем моря (, м), построенные при помощи системы "Surfer-8" на основе данных, полученных из базы данных NASA в масштабе (1:500000). Расчет продольного профиля водотока и длины реки, как правило, проводятся с помощью топографических карт масштаба не менее 1 :100000, также могут использоваться карты масштаба 1 :100000 с изолиниями модулей среднегодового стока m в [л/скм2] в данном бассейне. Несмотря на то, что масштаб 1:500000, используемый в работе, не соответствуют масштабу (1:100000), но с другой стороны специфичность топографических характеристик (большой уклон и короткие реки), делают топограммы приемлемыми для метода линейного учета. Для оценки валовых ресурсов было выделено 13 незарегулированных рек страны. В качестве экологического расхода был принят минимальный среднесуточный расход. Суммарная эколого-валовая мощность 13 рассмотренных водотоков составила 158 МВт. Если при 5947,5 кв.км площади расчетный гидропотенциал равен почти 158 МВт тогда при одинаковых условиях можно полагать что при 923768 кв. км возможно 24541 МВт., а валовая годовая энергия тогда будет
215106 МВтч.

В третьей главе приводится классификация энергосистем на основе ВИЭ по видам генерируемой энергии, по способам аккумулирования и степени автономности потребителя. Рассматриваются основные структурно-функциональные схемы, показывающие всю цепочку от первичного источника к потребителю.

Из основных особенностей систем электроснабжения на ВИЭ вытекают требования к их работе: в нормальных условиях автономные комплексные энергосистемы должные полностью удовлетворять запросам потребителей в энергии; структура системы электроснабжения на базе ВИЭ и ее режимы должны обеспечивать экономичность выработки, передачи и потребления энергии. Поскольку поступление первичных возобновляемых энергоресурсов неравномерно во времени, то это приводит к неравномерности графика производства энергии энергоустановками на базе ВИЭ. А в свою очередь неравномерность графика потребления энергии вызывает не­согласование этих процессов. Таким образом, возникает про­блема перераспределения получаемой от ВИЭ энергии во времени. Наиболее распространенным способом обеспечения согласования процессов производства и потребления производимой энергии от ВИЭ является аккумулирование энергии. Режим работы аккумулирующей системы (АС) определяется из сравнения графиков производства и потребления производимой энергии от ВИЭ, а ее емкость (CA) определя­ется по формуле:

CA=PА(t) d(t), (1)

где tраб - время работы АС (выбирается как наибольшее из времени за­ряда и времени разряда АС), PА(t) – мощность заряда или разряда АС в t – ый момент времени. Согласно конструктивным особенностям АС полностью не разряжается, по­этому полная емкость АС СпА должна быть больше, чем требуемая для аккумулирования энергии в данной микроэнергосистеме (МС) СА. Преж­де всего, емкость АС должна обеспечивать регулирую­щие и частотоформирующие функции автономной МС. Для того чтобы определить и оптимизировать работу АС целесообразно использовать в качестве временного интервала i - один час и интервала осреднения - один год Т. Поэтому необходимо, чтобы в течение всего периода времени Т для каждого i-ого часа имелась следующая информация: суммарная мощность всех энергоустановок МС на базе ВИЭ – Pмсi; нагрузка потребителя PПi; разница Pi

Pi= PПi- Pмсi при i = 1,.., 8760 ч (2)

где Pмсi =- суммарная мощность всех m энергоустановок, входящих в состав данной МС, в i - ый момент времени; - мощность j-ой энергоустановки МС в i - ый момент времени.

Обозначим также через PАmin, PАmax, PА - соответственно минимальную, максимальную и ра­бочую мощности АС. Примем допущение, что КПД разряда постоянен и равен АС. При определении Pi возникают следующие ситуации:

1. Если Pi < 0, то при этом возникает избыток энергии, производимой МС, который поступает на заряд АС и аккумулируется в зависимости от соот­ношения между избытком мощности Pi и остаточной емкостью АС:, т.е. величина аккумулирующей мощности в этот момент времени составит PАi :

а) если Pi >PАmax- PАi, то АС заряжается на PАi= Pi,

б) если Pi <PАmax- PАi, то АС заряжается на PАi= PАmax- PАi..

2.Если Pi > 0, то нагрузка потребителя превышает суммарную мощность всех энергоустановок МС. Недостаток энергии для потребителя поступает при разряде АС. В этом случае состояние аккумулирующей системы зависит от ве­личины Хi

Хi= Pi- АС (PАi.- PАmin) (3)

при этом:

а) если Хi > 0, то нагрузка потребителя не может быть полностью удовле­творена за счет работы МС и АС разряжается до минимально возможного уровня PАmin и все равно при этом оста­ется часть непокрытой нагрузки, т.е. не хватает емкости АС (в размере Хi ) в этот момент времени для полного покрытия графика нагрузки потребителя;

б) если Хi < 0, то нагрузка потребителя полностью удовлетворяется за счет всех энергоустановок МС и разряда АС на величину PАi

PАi= PАi.- Pi/АС. (4)

Одним из ключевых вопросов создания локальных микроэнергосистем на основе ВИЭ является выбор рациональной комбинации энергоустановок, входящих в ее состав, т.е. функциональной, технической и технологической структуры микроэнер­госистемы (МС). Состав энергетических установок МС на базе ВИЭ определяется в первую очередь в зависимости от наличия тех или иных видов первичных возобновляемых энергоресурсов, использование которых экономически целесообразно в рассматриваемом регионе. Сложность комбинированного использования ВИЭ в энергобалансе ре­гиона обуславливается индивидуальной для каждого региона структурой и ресурсной базой ВИЭ. Даже после определения в результате оценок топлив­но-энергетического баланса региона возможной доли ВИЭ, остается откры­тым вопрос о том с помощью каких возобновляемых источников следует за­мещать эту долю или какой процент на замещение этой доли будет приходиться на каждый вид ВИЭ в рассматриваемой МС. Именно, решение этого вопроса является основным влияющим фактором при выборе структурной схемы МС и ее основных элементов. На рисунке 2 отображена последовательность принятия решений при формировании структуры микроэнергосистемы на основе ВИЭ, предназначенной для энергоснабжения автономного потребителя с учетом всех специ­фических условий и характерных данных по потребителю и региону его рас­положения. В общем виде почасовой баланс производимой и потребляемой энергии в проектируемой МС на базе ВИЭ можно представить в следующем виде:

(+PАi)=PПii (5)

или для каждого i-ого часа в течение года должно выполняться

PПi -± PАi=0, (6)

где для каждого i-ого часа соответственно PАi - мощность аккумулирующей системы (знак «–» означает режим заряда, а знак «+» режим разряда), - суммарная мощность всех m энергоустановок, входящих в состав проектируемой МС, PПi – нагрузка потребителя. Таким образом, исходя из выше изложенного, необходимо чтобы мощность каждой j-oй энергоустановки МС в каждый i-ый час стремилась к максимуму, т.е. Рэуjimax. При выборе элементов МС для энергоснабжения конкретного потребителя необходимо решить оптимизационную задачу, которая сводится к определению мощностей энергоустановок МС, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение потребителя с одной стороны, и имеющих минимальную стоимость с другой. Критериями оптимальности в этой задаче являлись покрытие пиковой нагрузки и более 80% обеспеченности бесперебойного электроснабжения.

 оследовательность принятия решений при формировании структуры-9

Рисунок 2 Последовательность принятия решений при формировании структуры микроэнергосистемы на основе ВИЭ.

Выбор структурной схемы МС для электроснабжения северных регионов Нигерии основывался на тех­нико-экономическом анализе с учетом местных факторов таких, как: наличие первичных энергоресурсов по всей рассматриваемой территории, удаленность населенных пунктов от централизованной энергосистемы, а также экономические перспективы развития данного региона. Как показали исследования, проведенные в главе 1 и 2 данной работы, северные районы Нигерии, с одной стороны, являются изолированными от единой энергетической системы и строительство линий передач в эти районы экономически не оправдано. С другой стороны, эти районы богаты солнечными, ветровыми и гидроэнергетические ресурсами и энергообеспечение этих районов возможно от автономных микроэнергосистем на базе этих ресурсов. Таким образом, в предлагаемую к рассмотрению в данной работе микроэнергосистему на основе ВИЭ входят следующие энергоустановки: ветровая установка (ВЭУ), солнечная энергоустановка (СЭУ), малая ГЭС (МГЭС), электрохимический аккумулятор (АБ) (рис.3).

 ринципиальная схема микроэнергосистемы на основе ВИЭ для-10

Рисунок 3 Принципиальная схема микроэнергосистемы на основе ВИЭ для электроснабжения типового населенного пункта

Если рассмотреть, что l-ая изолированная МС предназначена для энергоснабжения только l-го потребителя (в дальнейшее в качестве потребителя будем рассматривать отдельные населенные пункты), то суточную выработку энергии всех энергоустановок такой МС, можно определить:

(7)

где и - суточная выработка энергии МГЭС, СЭУ и ВЭУ, входящих в i-ую МС. Среднесуточная мощность потребителей l-ого населенного пункта определяется:

= Эl сут/24. (8)

С другой стороны, если учесть все потери электроэнергии в элеменентах l-ой МС:

=Эl сут/24 , (9)

где – суммарные потери мощности в l-ой МСl изменяются в пределах от 0.85 до 0.9, в расчетах принимаем 0.9;

Tд – продолжительность работы установки в течение суток зависит от особенностей прихода первичных ресурсов ВИЭ в рассматриваемом районе;

kврд – коэффициент снижения освещенности в течение дня (в утренние и вечерние часы меняется в пределах от 0,7 до 0,8) принимаем в расчетах равным 0,8;

kсо – коэффициент ослабления освещенности из-за летних и зимних колебаний радиации и облачности ( 0,9 летом и 0,8 зимой) принимаем с учетом климатических особенностей данного региона равным 0,9;

хим – коэффициент отдачи энергии аккумулирующим батареям АБ (меняется в пределах от 0,6 до 0,8) принимаем в расчетах равным 0,8;

пр – коэффициент полезного действия полупроводниковых стабилизатора и инвертора (меняется от 0,7 до 0,8), принимаем в расчетах равным 0,8.

Из формулы (9) получаем, что установленная мощность l-ой МСl PМСlуст будет больше в 2,2 раза среднесуточной нагрузки потребителя

PМСlуст 1,5· и (10)

= (ЭМЭlсут – Эlсут )0, (11)

где - разность между суточной выработкой электроэнергии l-ой МСl ЭМСlсут и суточной энергией требуемой потребителям l-ого населенного пункта Эlсут. Установленная мощность l-ой МСl PМСlуст складывается из установленных мощностей энергоустановок, входящих в ее состав, и для рассматриваемой схемы МСl (см. рис. 3) в данной работе ее можно определить

PМСlуст = хМГЭСl·+ хВЭУl·+ хСЭУl ·, (12)

где хМГЭСl, хВЭУl и хСЭУl - это количество энергоустановок МГЭС, ВЭУ и СЭУ в МСl, а ,и - номинальные мощности единичных установок (МГЭС, ВЭУ и СЭУ).

Разница между суточной выработкой энергии энергоустановками l-ой МС, ЭМСlсут и суточной потребляемой энергией l-ого населенного пункта Эl сут определяется, как

, (13)

где - разница за i час между выработкой энергии энергоустановками l-ой МС и потребляемой энергией потребителями l-ого населенного пункта Эli.. В случае избытка энергии (0), производимой l-ой МС, она будет расходоваться на заряд АБ, а в случае недостатка энергии для удовлетворения нужд потребителя (< 0), запасенная энергия в АБ будет расходоваться для выработки недос­тающей энергии для покрытия графика нагрузки потребителя. Следует также отметить, поскольку МГЭС, входящие в l-ую МС, работают в течение суток с постоянной мощностью РМГЭСl,(t)=const, то - возникает только за счет несовпадения во времени производства электроэнергии от ВЭУ и СЭУ Рсэуl(t)+ Рвэуl(t) и графика потребления нагрузки l-ым населенным пунктом типового региона Рl(t), т.е. АБ предназначены только для аккумулирования энергии, производимой СЭУ и ВЭУ в МС.

 лгоритм функционирования микроэнергосистемы на основе ВЭУ, СЭУ и-38

Рисунок 4 Алгоритм функционирования микроэнергосистемы на основе ВЭУ, СЭУ и МГЭС с аккумулирующими системами (АС).

В четвертой главе приводится расчет по обоснованию выбора энергоустановок на основе ВИЭ для электроснабжения локального потребителя в условиях северо-восточного региона Нигерии. Данный регион отличается высокой плотностью ветроэнергопотенциала, наличием гидроэнергоресурсов, высокой плотностью солнечной радиации и отсутствуем электростанций.

На территории рассматриваемого региона находится 12 крупных населенных пунктов. Общая численность населения типового региона составляет 154870 чел, плотность населения составляет около 50 чел./км2 (средняя плотность населения в стране 127 чел./км2). В таблице 1 приведена подробная информация по каждому населенному пункту численность населения.

Поскольку климатические факторы в рассматриваемом регионе, влияющие на изменение прихода солнечной и ветровой энергии, не существенно изменяются в течение года, то все расчеты по выбору и обоснованию элементов МСl (l =1, 12 – номер населенного пункта) далее будут проведены для осредненных характерных суток года и при этом предварительно необходимо оценить: информацию о режиме прихода в течение характерных суток таких первичных ресурсов, как энергия солнца и ветра, энергия малых водотоков для каждого l – го населенного пункта, который является потребителем энергии, производимой l – ой МСl; характерный суточный график нагрузки l –ых потребителей Рl(t) (t=1, 24) типового региона.

В рассматриваемом регионе можно выделить три основных водотока: Джамаре, Хадеджа и Комодугу Гена, которые как бы делят территорию региона на три неравные части. Предполагается построить малые гидроэлектростанции (МГЭС) рядом с каждым l-ым населенным пунктом, так чтобы линии электропередач были как можно менее протяженными. Поэтому были определены: возможные створы МГЭС на реках рассматриваемого региона для каждого l-ого населенного пункта. Для всех предполагаемых створов МГЭС были определены основные энергетические показатели (см. табл. 1): название близлежащей реки для рассматриваемого населенного пункта, расстояние от истока до предполагаемого створа МГЭС -L; длина участка водотока, на котором находится предполагаемый створ МГЭС- lуч, перепад уровней на данном участке водотока - Hl, удельная валовая мощность участка водотока ; среднегодовой расход с учетом экологических требований .

Таблица 1. Основные энергетические показатели предполагаемых створов МГЭС в типовом регионе

№ н. п. Название населенного пункта (население) Название близлежащей реки L, км Параметры участка водотока
, МВт/км lуч, км м3/с Hl, м
1 Дапчи (2371) Комодугу Гена 115 0,041 30,6 3,44 37
2 Дамасак (1405) Комодугу Гена 300 0,007 50 5,63 6
3 Гашуа (5138) Джамаре 175 0,051 11,1 3,9 15
4 Горгорам (6539) Джамаре 150 0,044 11,9 3,51 15
5 Гейдам (3197) Джамаре 265 0,013 19,5 5,04 5
6 Нгуру (6192) Хадеджа 250 0,112 16,7 5,46 35
7 Джаджибирири (3279) Джамаре 265 0,013 19,5 5,04 5
8 Хадеджа (50617) Хадеджа 75 0,048 25 3,32 140
9 Гамава (25677) Джамаре 90 0,048 16,6 2,02 40
10 Магрум (1254) Хадеджа 78 0,048 28 3,32 140
11 Катагум (14266) Джамаре 100 0,061 5 2,31 30
12 Каффин-хауса (34935) Хадеджа 70 0,048 20 3,32 140

Из базы данных NASA для всех 12 населенных пунктов типового региона (см табл. 1) были определены среднечасовые данные скоростей ветра на высоте 50 м Vi (м/с) и суммарного прихода солнечной радиации Эi (кВтч/м2) (i=1,..,24) для следующих часов суток: 1 час, 4 часа, 7 часов, 10 часов, 13 часов, 16 часов, 19 часов; 22 часа. Для остальных часов суток значения среднечасовых скоростей ветра на высоте 50 м и суммарного прихода солнечной радиации были определены методом линейной интерполяции.

На примере населенного пункта Гашуа сравним поступление солнечных и ветровых энергоресурсов в течение характерных суток. На рис. 5 приведена сравнительная оценка потенциальных возможностей ветроэнергетики и солнечной энергетики для S=1 м2 в точке населенного пункта Гашуа для характерных суток. Значения удельной энергия воздушного потока (валовой потенциал) на высоте 50 м Эвi были рассчитаны за период времени 1 сутки с интервалом i=1 час.

 отенциальные возможности ветровых (на высоте 50 м) и солнечных-43

Рисунок 5 Потенциальные возможности ветровых (на высоте 50 м) и солнечных энергоресурсов для S=1 м2 в точке населенного пункта Гашуа для характерных суток.

Исходя из ресурсных возможно­стей ВИЭ рассматриваемого региона и изучения информации о технико-экономических показателях оборудования российского производства нетрадиционной энерге­тики были выбраны единичные энергоустановки (СЭУ, ВЭУ и МГЭС), применимые во всех двенадцати МС типового региона. В качестве единичной установки ВЭУ был выбран ветроэнергетический агрегат АВУЭ-30 Лианозовского электромеханического завода (г. Москва): номинальная мощность которого 30 кВт и диаметр рабочего колеса 14 м, основной энергетической характеристикой которого является зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра NВЭУ(vв). В качестве единичной установки СЭУ был выбран солнечный модуль MSW-36 (12) фирмы «Солнечный ветер» (г. Краснодар), для которого задана характеристика, позволяющая определить получаемую мощность с рассматриваемого СМ при падении на него суммарной солнечной радиации Эсум. Рассмотрев энергетические возможности двенадцати створов типового района, расположенных непосредственно рядом с населенными пунктами, и проведя анализ существующего оборудования российского производства был сделан вывод о невозможности применения однотипного оборудования для оснащения МГЭС в разных населенных пунктах.. Все МГЭС рассматриваются деривационного типа и в течение суток работают с постоянной мощностью, т.к. мы не располагаем информацией об изменении расхода в течение суток. Предполагается создание единой локальной сети, объединяющей 10 МГЭС.

Для примера рассмотрим определение количества энергоустановок микроэнергосистемы МС1 (l=1 – номер данной МС), предназначенной для энергоснабжения населенного пункта Гашуа, выбранного в качестве аналога для других 11 населенных пунктов в рассматриваемом типовом регионе. Для остальных 11 МС расчеты аналогичны. В качестве исходной информации для расчетов предварительно было определено:

- рассмотрены суточные графики прихода первичных ресурсов для всех энергоустановок МЭ на ВИЭ (энергия солнца и ветра, энергия малых водотоков) в географической точке, соответствующей координатам населенного пункта Гашуа;

- выполнен подробный расчет по определению нагрузки всех потребителей населенного пункта Гашуа, P1(t);

- обоснован выбор единичного агрегата МГЭС, количество агрегатов МГЭС и единичных агрегатов ВЭУ и СЭУ;

- определена установленная мощность МГЭС =390 кВт и определен режим работы МГЭС1 в течение суток с постоянной мощностью Pгэс(t)=248,29 кВт (см. рис.6)

 одноэнергетический кадастр р. Джамаре: отметка [(L), м/км];-45

Рисунок 6 Водноэнергетический кадастр р. Джамаре:

отметка [(L), м/км]; удельная мощность[iN, МВт/км];

валовая мощность[Nвал, МВт.]; расход воды[Q, м3/с]

Предварительно были определены режимы работы единичных энергетических установок ВЭУ и СЭУ, входящих в состав МС1, режимы работы которых существенно зависит от двух определяющих факторов: от конструктивных особенностей самой установки, т.е. ее энергетической характеристики; от особенностей поступления энергоресурса (солнечной радиации и скорости ветра).

Среднечасовые скорости ветра Vi на высоте 50 м предварительно были пересчитаны на высоту башни АВЭУ-30 и определен по энергетической характеристике, режим работы единичной ветроустановки АВЭУ-30 в течение характерных суток РАВЭУ30 (t). Используя вспомогательную характеристику солнечных модулей
MSW-36 (12) на базе среднечасовых значений прихода суммарной солнечной радиации Эсi был проведен расчет по определению режима работы единичного солнечного модуля MSW-36-12, PMSW-36 (t) в течение характерных суток. Далее была решена оптимизационная задача по определению количества выбранных энергоустановок типа СЭУ и ВЭУ для покрытия графика нагрузки потребителя Р1(t). Расчет режима работы МС1 в течение характерных суток Рмэ1(t). Для определения количества аккумуляторных батарей была определена аккумулированная энергия, которая составила 1527,66 кВт ·ч, а продолжительности заряда АБ tз =15 часов и разряда соответственно tр=9 часов.

В качестве основного населенного пункта для расчетов нагрузки децентрализованного электроснаб­жения был выбран насе­ленный пункт Гашуа, по которому имеется полная информация, необходимая для расчетов нагрузки. Определение нагрузки для других населенных пунктов рассматриваемого региона возможно с помощью метода аналогии. В СВГЗ, где находится рассматриваемый регион, можно выделить три основных сектора: бытовой, общественные услуги, коммерческий. Расчет графика нагрузки для каждого сектора j (j=1,..,3) проводится отдельно, для расчета проводим типизацию потребителей в каждом секторе (см. рис. 5). В результате расчетов было получено, что основным сектором энергопотребления из трех учтенных является бытовой - 87 % от P1(t), а доля коммерческого сектора -7,5 % и сектора общественных услуг – 5,5 %. Характеристика графика нагрузки типичного дня населенного пункта Гашуа – однопиковая, большой пик появляется с 17 до 20 часов из-за одновременного включения электрических нагрузок в бытовом секторе. Аналогичные расчеты были выполнены для остальных 11 микроэнергосистем (см.таб. 2.)

В результате, были определены следующие показатели: установленная мощность энергоустановок микроэнергосистем равна 32,17 МВт (ВЭУ – 22680 кВт, МГЭС – 7480 кВт и СЭУ – 2011,32 кВт); годовая выработка энергии энергоустановками микроэнергосистем равна 90,3 103 МВтч/год (ЭВЭУг = 63,7 МВтч/год, ЭМГЭСг = 179, 5 МВтч/год и ЭСЭУг = 4,18 МВтч/год); при численности населения 154870 человек всех 12 рассмотренных населенных пунктов удельная установленная мощность по населению будет 0,207 кВт/ чел., а удельная годовая выработанная электроэнергия энергоустановками - 583,1 кВтч/год/чел.

 лок-схема расчета электроэнергетических нагрузок в автономных-46

Рисунок 7 Блок-схема расчета электроэнергетических нагрузок в автономных районах

 уточный энергетический баланс микроэнергосистемы на базе ВИЭ-47

Рисунок 8 Суточный энергетический баланс микроэнергосистемы на базе ВИЭ населенного пункта Гашуа.

Таблица 2 Расчетные передаваемые мощности энергоустановок (Nэу), средние мощности 12 населенных пунктов типового региона и емкости АС (САБ)

Н.П. Nэу.,кВт Pср.пот, кВт CАБ, А.ч
Гашуа 851.05 317.31 46801.32
Дапчи 427.66 146.28 24177.77
Катагум 2683.96 878.94 132134.51
К – Хауса 7005.94 2157.68 322445.54
Дамасак 242.12 85.67 13624.69
Горгоргам 1236.69 402.98 59342.39
Гейдам 589.78 196.73 28955.63
Нгуру 1180.71 382.35 56388.41
Джаджибирири 538.71 203.08 30044.41
Магрум 241.99 76.15 11591.38
Гамава 5271.05 1586.53 233497.91
Хадейджа 11901.66 3125.46 476742.66
ВСЕГО 32171.32 9559.16 1435746.61

В пятой главе приводится финансово-экономическая эффективность микроэнергосистемы на основе ВИЭ. Одной из основных экономических характеристик микроэнергосис­темы на основе ВИЭ является величина капитальных затрат, в которые входят затраты на оборудование, его монтаж и транспортировку:

, (14)

где -стоимость энергоустановок МС, -стоимость аккумуляторов, - стоимость вспомогательного электрооборудования, - стоимость монтажа.

Годовые эксплуатационные издержки энергообъекта складываются из эксплуатационных затрат () и амортизационных отчислений (),:

(15)

В состав эксплуатационных затрат () входят издержки на капитальный и текущий ремонты, на заработную плату, на покупку топлива и прочие издержки. Годовые амортизационные отчисления определяется по следующей формуле:

(16)

где , ед.- коэффициент, учитывающий увеличение капиталовложений по энергообъекту, в зависимости от условий на рынке, обычно в диапазоне
1 1,5. Надо отметить, что при расчетном периоде более 15 лет и ресурсе энергоустановки чуть менее данного срока ( 5 лет) из-за различных условий на рынке.

Для упрощения расчетов финансово-экономической эффективности микроэнергосистемы была использована программа на базе Microsoft Excel – «программа оценки финансово-экономической эффективности сооружения объектов возобновляемой энергетики, версия 2.0», разработанная на кафедре НВИЭ МЭИ (ТУ). Результаты расчетов представлены в таб. 3.

Таблица 3 Основные результаты расчетов финансово-экономической эффективности микроэнергосистемы

Удельные показатели
Удельные капиталовложения на кВт 621,20 долл. США/кВт
Удельные капиталовложения на кВтч 21,41 цент/ кВтч
Себестоимость электроэнергии 8,22 цент/ кВтч
Затраты
Суммарные дисконтированные затраты 31,24 млн.долл.США.
Удельные дисконтированные затраты на кВт 1003,87 долл.США/кВт
Критерии финансовой эффективности
ВНД на акционерный капитал, % 17,29
ЧДД на акционерный капитал, млн. долл. 8,33
Простой период окупаемости капитальных вложений, лет 6,20
Дисконтированный период окупаемости капитальных вложений, лет 8,70
ВНД по объекту, % 17,42
ЧДД по объекту, млн. долл. 10,10

Заключение:

Основные результаты работы:

1. Исследованы и оценены энергоресурсы ВИЭ Нигерии и выявлены наиболее перспективные их виды (солнечный, гидравлический и ветровой);

2. Проведено районирование территории Нигерии по перспективным видам возобновляемых источников энергии в них;

3. Исследованы и идентифицированы типовые автономные потребители электроэнергии в сельских районах страны;

4. Обоснована необходимость комплексного использования ВИЭ в системе электроснабжения автономных потребителей Нигерии;

5. Разработаны основные принципы и стадии проектирования и проведено технико-экономическое обоснование целесообразности использования энергокомплекса на основе ВИЭ в Нигерии.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Бойи Джимо, Виссарионов В.И., Малая гидроэнергетика Нигерии.

/ Вестник МЭИ. 2007, №3. с 93 99.

  1. Бойи Джимо, Виссарионов В.И., Анализ состояния современной энергетической системы Нигерии. - М: МЭИ, 2006. – 15с.; ил; библогр.: 6 назв., деп. в ВИНИТИ РАН 14.03.2006, № 257 – В2006.
  2. Бойи Джимо, Виссарионов В.И., Анализ производства и потребления электроэнергии в Нигерии./ Труды двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. том 3. – М.: Издательство МЭИ, 2006, с.392.
  3. Бойи Джимо, Виссарионов В. И., Расчет солнечной энергии для электроснабжения автономного потребителя / Труды двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. том 3. – М.: Издательство МЭИ, 2006, c.394
  4. Бойи Джимо, Виссарионов В.И., Оценка возобновляемых источников энергии на территории Нигерии./ Труды тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. том 3. – М.: Издательство МЭИ, 2007, c.347
  5. Vassarionov V.I., Boyi J., Potentials of Solar and Wind Power Resources in Nigeria / the proceedings of the international scientific conference on Power Industry and Market Economy Ulaanbaatar, May 4-7, 2005. Pp171 – 177.

7. Boyi, J., Jibril, Y., Muazu, M.B., Solar radiation characteristics and potentials as renewable energy source in Nigeria./the proceedings of International Conference on Exploiting energy and communication potentials for sustainable development, Nigerian Society of Engineers, ICEPT 2006, Lagos, October, 2006. Pp.33 – 39.



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

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.