Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СОЛНЕЧНО-ДИЗЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕВЕРНЫХ ПОСЕЛКОВ

Дмитриенко В.Н. 1 Лукутин Б.В. 2
1 ТФ ЗАО Сибирский ЭНТЦ
2 ФГБОУ НИ ТПУ
Рассмотрена проблема электрообеспечения децентрализованных поселков северных территорий, электроснабжение которых осуществляется от дизельных генераторов. Это негативно сказывается на величине тарифа за электроэнергию, экологии поселков и ставит в зависимость население поселков от привозного дорогостоящего дизельного топлива. Ситуация осложняется большим износом генерирующих мощностей. В работе рассмотрен альтернативный путь решения подобных проблем, путем строительства фотоэлектрической станции (ФЭС), работающей параллельно с дизельной электростанцией (ДЭС), на примере пос. Батагай, республика Саха (Якутия). Проведен выбор рациональной установленной мощности фотоэлектрической станции относительно мощности ДЭС. Выполнен анализ годовой выработки электрической энергии фотоэлектрической станцией, показаны объемы экономии дизельного топлива. По расчетным данным строительство ФЭС в децентрализованных районах с высокой инсоляцией актуально и позволит снизить зависимость энергоснабжения от привозного топлива.
фотоэлектрическая станция (ФЭС)
дизельная электростанция (ДЭС)
электроснабжение
1. Саврасов Ф.В., Лукутин Б.В. Расчет эффективности использования автономных систем электроснабжения с фотоэлектростанциями на примере Томской области // Известия ТПУ. – 2013. – Т. 322, №6. – С.17-21
2. Сурков М.А., Лукутин Б.В., Сарсикеев Е.Ж., Киушкин В.Р. Мировые тенденции в области построения автономных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии [Электронный ресурс] // Науковедение – 2012. - №4. – Реосим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/42tvn412.pdf.
3. Официальный сайт метеорологической программы meteonorm. URL: http://meteonorm.com/download/software/mn70/ (дата обращения: 28.04.14).
4. Официальный сайт программы для расчета фотоэлектрических станций. URL: http://www.pvsyst.com/en/download (дата обращения: 28.04.14).
5. Официальный сайт немецкой компании SMA. Производитель оборудования для ФЭС. URL: http://www.sma.de/en/products/sma-fuel-save-controller.html.

В настоящее время на территории Российской федерации существует огромное количество районов, не имеющих доступа к централизованному электроснабжению. Это прежде всего северные территории Сибири и Дальнего Востока. Электроснабжение децентрализованных населенных пунктов, как правило, осуществляется с помощью дизельных электростанций (ДЭС). Для обеспечения постоянной и стабильной работы ДЭС необходимо обеспечение станции дизельным топливом (ДТ). Доставка топлива в удаленные районы со слабо развитой инфраструктурой ограничена сроками работы водных путей и зимних автодорог, что существенно отражается на стоимости топливных ресурсов, цена которых стабильно повышается.

Наиболее острыми проблемами электроснабжения удаленных населенных пунктов являются:

  1. Высокая стоимость привозного дизельного топлива для ДЭС и, соответственно, производимой электроэнергии.
  2. Технологическая изолированность и отсутствие связи с объединенной энергосистемой.
  3. Эксплуатация оборудования в сложных природно-климатических условиях, что приводит к ускоренному износу электрических сетей и электрооборудования.
  4. Отсутствие автоматизированных современных маневренных мощностей, способных обеспечить эффективное регулирование мощности в условиях высокой неравномерности суточного графика потребления электроэнергии.
  5. Ограничения на присоединение новых потребителей.

Актуальным решением подобных проблем в регионах, обладающих достаточным потенциалом инсоляции, является построение солнечно-дизельных комплексов с использованием фотоэлектрических панелей (ФП), и современных автоматизированных дизельных электростанций. Построение подобных комплексов позволит решить ряд задач [1, 2]:

  • снижение зависимости энергоснабжения удаленных населенных пунктов от привозного дорогостоящего топлива;
  • частичное замещение выбывающих/реконструируемых мощностей;
  • в перспективе, снижение тарифа на электрическую энергию;
  • снижение выбросов CO2и других вредных веществ.

Подобные системы становится привлекательными ввиду того, что цена на ДТ неуклонно растет, в то время как цена на фотоэлектрические панели падает.

В работе проведен анализ вариантов построения солнечно-дизельного комплекса на примере пос. Батагай, республика Саха (Якутия). Батагай – посёлок городского типа, административный центр Верхоянского улуса, расположен в северной части республики, в пойме на правом берегу реки Яна.

Географические координаты расположения объекта: широта67°39”; долгота 134°39”; высота над уровнем моря 212 м; абсолютный минимум температуры –63°С; среднемесячная температура самого холодного месяца (январь) –41.8°С.

Промышленные предприятия со значительным энергопотреблением на территории поселка отсутствуют. Единственным предприятием электроэнергетики пос. Батагай является Батагайская дизельная электростанция, обеспечивающая социально бытовые потребности населения поселка.

Энергосистема поселка изолированная.На ДЭС установлено 12 различных дизель-генераторов. Характеристики ДЭС приведены в таблице №1.

Таблица №1. Характеристики ДЭС

№ п/п

Тип генератора

Мощность, кВт

Год выпуска

ДГ№1

СГДС 15-30-8УХЛ4

1000

1990

ДГ№2

СГС 1370-750У3

1100

1973

ДГ№3

СГДС 15-30-8УХЛ4

1000

1991

ДГ№4

СГДС 15-30-8УХЛ4

1000

1985

ДГ№5

СГС 1370-750У3

1100

1982

ДГ№6

СГС 1370-750У3

1100

1982

ДГ№7

СГС 1370-750У3

1100

1985

ДГ№8

СГС 1370-750У3

1100

-

ДГ№9

ГСД 1650-1000

1250

2006

ДГ№10

СГС 1370-750У3

1100

1984

ДГ№11

СГДС 15-30-8УХЛ4

1000

1994

ДГ№12

ГС-100У2

100

1998

Парк дизельных генераторов устарел, как морально, так и физически. Синхронная работа подобной ДЭС с фото электростанцией (ФЭС) невозможна без замены системы автоматики дизелей, что в свою очередь потребует реконструкцию и модернизацию самих дизель-генераторов.

Рис.1 График потребляемой электрической энергии

За год ДЭС пос. Батагай на нужды электроснабжения потребляет около 6000 тонн дизельного топлива, при этом вырабатывает 23200 тыс. кВт*ч электрической энергии. Годовой график электрической нагрузки ДЭС приведен на рис. 1. По графику видно, что в наиболее солнечный летний сезон потребность в электроэнергии в три раза меньше по сравнению с зимним энергопотреблением. При постоянном росте цен на дизельное топливо (см. таблицу №2), производство электрической энергии постоянно увеличивается в цене. Тариф на электроэнергию в пос. Батагай более чем на 60% определяется топливной составляющей. Поэтому основной целью строительства фото электростанции в перспективе является снижение тарифа за счет экономии привозного дорогостоящего ДТ.

Таблица №2. Цена на ДТ

ДЭС п.Батагай

Цена топлива, руб/т без НДС

2008г.

2009г.

2010г.

2011г.

2012г.

2013г.

ДТЗ

24 246,23

30 014,00

30 425,29

33 579,11

38 114,99

41 361,49

Построение фотоэлектрической станции, работающей параллельно с ДЭС, позволит снизить затраты на дизельное топливо и тариф на выработку электрической энергии. С вводом в эксплуатацию солнечной электростанции будут повышены надежность электроснабжения потребителей электроэнергии поселка и эффективность работы ДЭС, улучшится экология поселка.

Ввиду большой установленной мощности ДЭС (11МВт), мощность фотоэлектрической станции также будет значительна (от 1,5МВт). Наиболее рациональным решением схемного построения гибридного энергетического комплекса по экономическим и техническим показателям является включение солнечной фотоэлектрической станции на параллельную работу, с локальной электрической сетью созданной ДЭС (рис. 2).

Рис.2 Структурная схема фотоэлектрической станции работающей параллельно с ДЭС

При падении солнечного света на фотоэлектрический массив генерируется электрическая энергия (постоянный ток), которая поступает на инвертор для преобразования в энергию переменного тока. Преобразованная энергия используется потребителем наряду с энергией, генерируемой ДЭС.

Для проведения расчетов выработки энергии фотоэлектрической станцией использованы данные инсоляции и температуры, приведенные в таблице №3 [3]. Оптимальный фиксированный угол наклона панелей равен 52° и был определен с помощью программного продукта PVsyst V6.16 – PREMIUM – PhotovoltaicSystemsSoftware [4].

Таблица №3. Метеорологические данные

Угол наклона панелей 52°

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Интенсивность излучения с учетом угла наклона, кВт*ч/м²

4,9

53,4

159,4

200,1

184,9

174,9

172,7

137,8

97,8

67,9

19,2

0,0

T средняя, °C

-37

-34

-23,5

-9,4

1,4

12,1

16,4

11,7

3,0

-12

-28

-37

Для определения рационального соотношения установленных мощностей ФЭС и ДЭС проанализированы энергетические балансы систем с тремя значениями установленной мощности ФЭС: 1,5МВт, 2МВт и 2,5МВт. Проведенные расчеты фотоэлектрических станций различной мощности сведены в таблицу №4.

Таблица №4. Отпуск электроэнергии

 

1,5МВт

2МВт

2,5МВт

 

Фактическая вырабатываемая энергия, кВт*ч

Экономия топлива, кг

Фактическая вырабатываемая энергия, кВт*ч

Экономия топлива, кг

Фактическая вырабатываемая энергия, кВт*ч

Экономия топлива, кг

Январь

7910

1978

10546

2637

13183

3296

Февраль

89587

22397

119449

29862

149311

37328

Март

252969

63242

337292

84323

416749

104187

Апрель

296295

74074

387596

96899

445420

111355

Май

260621

65155

327708

81927

369806

92452

Июнь

213059

53265

250533

62633

277434

69359

Июль

201529

50382

225567

56392

243270

60817

Август

166517

41629

197239

49310

218270

54568

Сентябрь

140641

35160

186545

46636

225298

56325

Октябрь

104521

26130

139265

34816

171042

42761

Ноябрь

31101

7775

41468

10367

51835

12959

Декабрь

0

0

0

0

0

0

Годовой

1764750

441188

2223208

555802

2581619

645405

Расчет выполнен с использованием программного обеспеченияPVsyst V6.16 - PREMIUM - PhotovoltaicSystemsSoftware

Под фактической вырабатываемой энергией в табличных данных понимается энергия ФЭС, дополняющая минимально допустимый 40% энергетический уровень генерации ДЭС до необходимого месячного электропотребления поселка. Такое условие следует из необходимости обеспечения устойчивой работы сетевых инверторов [5]. Очевидно, в зимний сезон при слабой инсоляции система электроснабжения способна потребить всю энергию ФЭС. В летний период часть солнечной энергии будет невостребованной по вышеуказанной причине.

На основе представленных данных построен годовой график покрытия нагрузки для станции мощностью 2,5МВт (Рис. 3). Графики покрытия нагрузки станциями мощностью 1,5 и 2МВт будут выглядеть идентично, с меньшим вкладом ФЭС.

Рис.3. Годовой график покрытия нагрузкиФЭС мощностью 2,5МВт

В таблице №5 представлены основные показатели ФЭС различной мощности.

Таблица №5. Характеристики ФЭС

Мощность ФЭС

Экономия дизельного топлива в год, кг

Экономия дизельного топлива за 25 лет, руб.

Срок окупаемости, лет

Накопительный итог, руб.

2,5 МВт

645405

2 625 314 701

16

2 142068053

2 МВт

555802

2 297 348 422

16

1 528 642 997

1,5 МВт

441188

1 794 276 905

15,5

1 167 614 874

Cрок окупаемости станций практически одинаков и равен приблизительно 16 годам при сроке службы основного оборудования не менее 25 лет. По истечению срока окупаемости начинается экономия денежных средств на электроснабжение пос. Батагай.

Таким образом, актуальным частичным решением вопроса энергоснабжения децентрализованных областей с высоким уровнем инсоляции является строительство солнечно-дизельных электростанций. На сегодня имеется необходимый набор зарубежного оборудования, который позволяет осуществлять качественное построение и управление солнечно-дизельными электростанциями [5].

При строительстве подобных систем ощущается реальная экономия дорогостоящего привозного дизельного топлива и, как следствие, минимизация затрат на его ежегодную доставку. По истечению срока окупаемости есть возможность снижения тарифа на электроэнергию, что сократит ежегодные дотационные затраты государства на электроснабжение отдаленных поселков.

Рациональная мощность ФЭС для пос. Батагай равна 2-2,5МВт. Дальнейшее увеличение мощности дает большую ежегодную экономию по топливу, но при этом недоиспользуется, ввиду большого количества «лишней» энергии (весна, лето), когда нет необходимого количества потребителей.

Из представленных выше данных можно сделать вывод, что рациональный угол наклона панелей 52° выбран из условия увеличения выработки электрической энергии в весенне/осенний период. При этом недоиспользование ФЭС летом минимально. Низкий уровень зимней инсоляции делает нецелесообразным мероприятие по увеличению эффективности ФЭС в этот период.

Рекомендуемой схемой подключения ФЭС для поселков крайнего севера при мощности более 100кВт является параллельная работа с локальной дизельной системой электроснабжения.

Рецензенты:

Муравлев О.П., д.т.н., профессор кафедры ЭКМ, ФГБОУ НИ ТПУ, г. Томск.

Кабышев А.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры ЭСПП, ФГБОУ НИ ТПУ, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Дмитриенко В.Н., Лукутин Б.В. СОЛНЕЧНО-ДИЗЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕВЕРНЫХ ПОСЕЛКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13070 (дата обращения: 21.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074