ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Для нашей страны традиционно вопросы обеспечения потребителей электрической энергии решались государством. Это относится не только к лозунгу о Советской власти, но и к практическим делам, начиная с плана ГОЭЛРО, игравшего положительную роль до тех пор, пока выдерживалось соотношение между строительством крупных, мелких и средних электростанций. Ликвидация частных электростанций в первые годы советской власти, уничтожение в годы коллективизации свыше миллиона водяных и ветряных мельниц.
Все это происходило при обязательстве, что Минэнерго берет на себя обеспечение любого потребителя электрической энергией при условии, что ему, Минэнерго, разрешат выдачу технических условий на присоединение объектов к энергосистеме. Лозунг привел к полному бесправию потребителей электрической энергии и явился основой тотальной монополизации в электроэнергетике (по существу, было запрещено сооружение средних и малых электростанций, которые принадлежали бы потребителям - городам, предприятиям, совхозами и т.д.).
Под видом выдачи технических условий энергосистема могла навязать любому предприятию строительство линии любого напряжения, любой электростанции или её блока. Другими словами, взяв на себя обязательство обеспечить любого потребителя электроэнергией, Минэнерго всегда строило и рапортовало о строительстве только гигантов, бросив на произвол судьбы многочисленные отдаленные поселки, деревни, фермы (что, например, длялеспромхозов и стойбищ в тундре стало трагедией). Достаточно обратиться, например, к построенной линии 500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС - Новокузнецк. С появлением этой линии ни одна шорская семья не начала получать электроэнергию (да это и технически было невозможно) [159]. Такая же проблема существует для некоторых деревень Тамбовской области.
5 Как показывает мировой опыт и ряд отечественных исследований, одним
из возможных путей решения данной задачи является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии малой и средней мощности потребителей. В настоящее время существуют методики нахождения рациональной замены одних источников возобновляемыми источниками (Freris L.L., Сап-лин Л.А., Шерьязов G.K.), но они строго привязаны к определенной местности из-за многочисленных факторов, и не дают оценку предотвращенного экологического ущерба за счет снижения расхода основных топливных ресурсов. 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 оптимальное соотношение традиционных и альтернативных источников энергии, является; одной из важнейших задач вытекающей из федерального закон «Об энергосбережении» N 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г. во всех регионах России, в частности и для Тамбовской области. Федеральный закон "Об энергосбережении" N 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г. Принят Государственной Думой 13.03,96 г: «...закон действует на всей территории Российской Федерации. Объектом государственного регулирования в области энергосбережения являются отношения, возникающие в процессе деятельности, направленной на: ... развитие:добычи и производства альтернативных видов топлива, способных заменить энергетические ресурсы более дорогих и дефицитных видов...».
Отдельные исследования Л.А. Перовой, Н.А. Петелиной, Э.А. Мовсу-мовым в основном направлены на возможность использования того или иного нетрадиционного источника. Однако возможность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии можно оценить только при их совместном рассмотрении с традиционными. Эта проблема нуждается в более глубоком изучении. Поэтому исследования, направленные на разработку мето-
6
дики использования возобновляемых источников энергии при построению рациональной системы электроснабжения, являются актуальными.
Целью работы является повышение эффективности функционирования электрических систем и исследование возможности: рациональной доли замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, 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 энергоресурсов, 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 учитывающих интенсивность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии с учетом местных метеорологических условий:
Научная новизна исследования состоит в следующем:
- разработана для Тамбовской области методика оптимизации структуры энергопотребления различных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии;
- определены статистические характеристики, математические зависимости и оценен потенциальный ресурс солнечной, ветровой и биогазовой энер1ии;
- 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 явля-
7
ется основой для проектных и инженерно-технических разработок использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Для административных районов определена рациональная структура потребления основных энергоресурсов. Показано место нетрадиционных возобновляемых источников энергии в этой структурен возможность при их применении снижения потребления 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 окружающую среду.
Методы и объекты исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий метод математической статистики, метод синтеза рациональной структуры системы электроснабжения средних и. мелких предприятий, теорию математического моделирования; и инженерного эксперимента, программную реализацию решения задач на основе использования метода линейного программирования.
Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа работы различных типов потребителей и энергоносителей; математическим обоснованием разработанных зависимостей; представленной выборкой экспериментальных данных,, полученных в реальных условиях при помощи современных измерительных приборов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований1 с доверительной 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 6,5 млн. руб./год. При возможном применении альтернативных источников энергии экономится 45,84 ГВт-ч в год., за счет чего в Тамбовской области возможно
8 предотвратить экологический ущерб, за счет снижения вредных выбросов от
замещаемых традиционных источников энергии. Материал, используемый в диссертационной работе, применяется в учебном процессе ТГТУ по дисциплинам: «Режим работы и потребители СЭС», «История развития энергетики», «Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей»
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 2002-2003 гг.); на всероссийской научно-технической конференции по энергосбережению (г. Новомосковск, 2002 г.); на всероссийской научно-технической конференции на тему «Энергосбережение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» ВИЭСХ (г. Москва, 2003 г.); на международной конференции по энергосбережению на тему «Estimation of a power-wind potential» (г. Алжир, 2003г.); на всероссийской научно-технической конференции на тему: «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии» (г. Липецк, 2004 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 144 с, в том числе 127 с. основного текста, 20 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 159 наименований.
9 1. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
ПРЕДПРИЯТИЙ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТИ
1.1. Природные условия,
Тамбовская область расположена между 52° и 56? с.ш. и 57° и 63° в.д. Площадь: 34 300 км2 (0,20% от РФ, 66 место в РФ). Численность: 1 179 600 чел. (0,81 % от РФ, 46 место в РФ). Плотность: 34,4 чел ./км?. Численность городского населения 375 300 чел., сельского населения 304 300 чел. Область находится в центре Восточно-Европейской- равнины. Она расположена в умеренном климатическом поясе, характеризуется умеренно теплым; континентальным климатом с продолжительной холодной зимой; теплым летом и короткими переходными сезонами. Особенности рельефа территории обуславливают хорошо выраженную широтную зональность в изменении климата на равнине. Несмотря на разнообразие, климатические условия области имеют некоторые общие черты,. определяемые характером;циркуляции атмосферы над равнинами европейской и азиатской территории России.
В состав Тамбовской; области входят 23 района, 3 городских района, 7 городов 1 областного подчинения, 1 город районного подчинения, 13 рабочих поселков; Граничит ::на севере - с Рязанской областью, на северо-востоке - с Пензенской областью, на юге:- с Воронежской;областью, на юго-востоке - с Саратовской областью и на западе - с Липецкой областью [ 1 ]. Температурный-режим Тамбовской области: определяют радиационный баланс, циркуляция воздушных масс и-характер подстилающешповерхности; Самый холодный месяц - январь. Средняя температураянваря: -7,9°С.Переход среднесуточной температуры воздуха через .ноль весной?наступает в среднем 5 марта. Самый теплый месяц - июль. Средняя температура июля: +2Г,6°С. Зимой оттепели? довольно редки s и кратковременны. Температура выше нуля -удерживается, как правило, только в дневное время в течение нескольких часов, что не обеспечивает условий для интенсивного снеготаяния.
По характеру растительного покрова Тамбовской области относится к лес-
10
ной зоне, лесостепной зоне [2].
1.2. Тамбовская область как потребитель энергоресурсов
Тамбовская область является одной из аграрно-индустриальной территорий России, прежде всего за счет различных предприятий машиностроения (производство химического оборудования, комплектующие детали и запасные части к автомобилям и тракторам, оборудование для текстильной промышленности, приборостроение, бытовые холодильники, кузнечно-прессовые машины), химической, легкой, пищевой (сахарная, мясная, мукомольно-крупяная, маслобойная, консервная) промышленности. Она относится к регионам с развитым сельскохозяйственным производством. Из общего количества возделывают зерновые культуры, сахарную свеклу, подсолнечник, кормовые культуры, картофель. Развито садоводство. На базе переработки зерна и картофеля производят спирт, крахмал и патоку. Животноводство области специализируется на разведении крупного рогатого скота молочно-мясного направления, свиней, овец и птицы.
По почвенно-климатическим условиям область подразделяется на три основных вида агроландшафтов: лесостепной, (северный и южный) и степной. Природно-климатические особенности способствовали развитию в области растениеводства и животноводства. По валовой продукции эти отрасли, занимают примерно равное положение. Численность сельского населения составляет немногим менее 30 % от всего населения области. В с.х. производстве действуют различные формы хозяйствования: акционерные общества и товарищества, совхозы и колхозы, ассоциации крестьянских хозяйств и т.п.
Область является средним потребителем энергоресурсов. Основными, потребителями электроэнергии в области являются промышленность, сельское хозяйство, транспорт, коммунально-бытовой сектор (табл. 1.1) [1].
11
Потребление электроэнергии
Таблица 1.1,
Отрасли Потребление электроэнергии, млн. кВт-ч
1998 г. 1999 г. 2000 г. 2001 г.
Промышленность 832,1 916,4 853,3 896,8
Строительство 26,1 23,8 25,6 25,2
Транспорт 869,9 890,1 892,8 676,8
Сельское хозяйство 956,7 894,6 871,6 798,6
Коммунально-бытовой сектор 652,3 630,2 639,9 615,0
Прочие отрасли 140,2 152,7 147,0 155,1
Потери в сетях 678,9 703,0 660,7 663,3
Итого 4156,2 4210,8 4090,9 3830,8
Потребление тепловой энергии в области, достигнув максимума в 1990 г., медленно снижается.
Таблица 1.2
Удельный расход условного топлива на производство отдельных видов продукции
Удельные показатели 2000 г. 2001 г.
Электроэнергия, отпущенная электростанциям, работающим на котельно-печном топливе, кг/тыс. кВт-ч ч/чел 336,1 339,8
Теплоэнергия, отпущенная электростанциям, кг/Гкал 169,6 155,7
Теплоэнергия, отпущенная промышленно -производственными и районными котельными, кг/Гкал 178,9 177,7
12
Топливно-энергетический баланс на 2001г.
Таблица 1.3
Показатели Объем Добыча (производство) Ввоз Вывоз
Электроэнергия. ,млн. кВт-ч 3830,8 1633,8 2445,2 248,2
Тепловая энергия, Гкал 6050,2 6050,2 0 0
Таблица 1.4
Расход отдельных видов топлива
Вид топлива 1998 г. 1999 г. 2000 г. 2001г.
Уголь и угольные брикеты, тыс.т 140,7 135,3 124,0 108,9
Дрова; тыс. плотных куб. м 30,9 23,0 19,8 13,6
Топочный мазут, тыс. т 229,3 193,2 151,7 152,1
Бензин автомобильный, тыс. т 154,1 150,2 145,0 137.0
Дизельное топливо, тыс. т 293,4 286,3 283,0 268,0
Ситуация начала 90-х годов, когда практически во всех отраслях отмечался резкий спад производства, к концу десятилетия несколько улучшилась, и ряд отраслей получает некоторый подъем в развитии. Поэтому начало XXI века, по прогнозам, ознаменуется подъемом народного хозяйства Тамбовской области. Следовательно, потребуется и увеличение потребления энергоресурсов.
Несмотря на некоторое снижение абсолютного потребления электрической энергии при еще более значительном снижении валового производства, в области наблюдается увеличение удельного потребления электроэнергии. Это характерно и в целом для России. Анализ затрат энергоресурсов по предприятиям со средней и малой мощностью (табл. 1.5) показал, что наблюдается устойчивое повышение затрат энергоресурсов на производство продукции [3].
По данным Госкомстата России [4], в доле материальных затрат на про-
13 изводство продукции сельского хозяйства (она является наиболее высокой и
составляет от 50 до 53% общих затрат) с 1990 по 1994 гг. произошел значительный рост затрат (с 6 до 29%) на все виды топливно-энергетических ресурсов. При этом доля затрат на электроэнергию за эти годы выросла в семь раз, на твердое и газообразное топливо - в три раза от всех видов материальных затрат.
.Таблица 1.5 Затраты энергоресурсов предприятий удаленных районов России, кгу.т.
Затраты Годы
1985 г. 1990г. 1991 г. 1992т.
На одного среднегодового работника, предприятий сельских районов 6620 9200 10465 10530
На 1 га сельхозугодий 289,5 438,3 460,4 476,5
На 1 руб. валовой продукции (в сопоставимых ценах) 0,89 1,19 1,28 1,41
Расчеты, выполненные в конце 1980-х годов [47], показали, что один процент прироста продукции АПК требует дополнительного прироста потребления топлива или энергоресурсов на 2,4 %.
Анализ потребления энергоресурсов (уголь, газ, электроэнергия) предприятиями сельских районов Тамбовской области [1] и объема валовой продукции за 1999 и 2002 годы показал, что между этими показателями наблюдается высокая корреляция (коэффициент линейной корреляции составил 0,89 - 0,93). Валовая продукция [5] была рассчитана по уравнению:
ВП=КГЭП + К2
(1.1)
где ЭП- суммарное энергопотребление; К\ и К2 - коэффициенты регрессии, численно равные (0,62 - 0,67).
Данное уравнение позволяет решать и обратную задачу - определять не-
14
обходимое энергопотребление под заданное производство. Следовательно, производство предприятий сельских районов, как и все народное хозяйство Тамбовской области, потребует увеличения' объема потребления энергоресурсов. В настоящее время предприятия сельских районов области потребляют электроэнергию, природный газ, уголь, нефтепродукты, сжиженный газ и печное топливо. Без нефтепродуктов и электроэнергии потребляло около 60 тыс. т у.т. в год. Из них около 10 % приходилось на уголь, около 70 % - на природный газ и около 20 % -на сжиженный;
Область не имеет собственных энергоресурсов, за исключением ограниченных запасов торфа и лесных угодий. В ближайшие годы область может ожидает дефицит энергоресурсов. Увеличение объема производства предприятиями средней и малой мощности продукции потребует пропорционального увеличения энергоресурсопотребления. На фоне общего дефицита обострятся проблемы обеспечения таких предприятий энергоресурсами.
Как показывает мировой опыт, в данной ситуации возможны два независимых направления: разработка и внедрение энергосберегающих машин и технологий и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. К последним можно отнести энергию солнца, ветра и биогаза.
1.3. Мировой опыт использования нетрадиционных возобновляемых
источников энергии
Практически во всех странах мира наращивается выработка электрической и тепловой энергии на базе нетрадиционных возобновляемых источников - солнечных, ветровых, геотермальных, энергии малых водных потоков (малых рек); использования биомассы и др. Абсолютная величина выработки энергии от подобных источников невелика. В энергобалансе России в 1995 г. на ее долю приходилось менее 2 %. В мире величина выработки энергии от нетрадиционных возобновляемых источников должна вырасти с 0,4 % (1990 г.) до 1,0 % (2005 г.) от
15
общего количества энергии. Несмотря на столь малый объем, для некоторых регионов, особенно оторванных от энергосистем, подобные; источники: энергии -единственный путь обеспечения местных инфраструктур электричеством и теплом. Развитие нетрадиционной энергетики связано с постоянным; удорожанием и истощением традиционных энергоресурсов - нефти, газа, угля, обострившимися проблемами экологии, необходимостью надежного и эффективного энергоснабжения отдаленных, труднодоступных и специфических потребителей. В России имеется целый ряд регионов, которые не присоединены^ к централизованной системе энергоснабжения. Там проживает около 20 млн. человек, а электроэнергия вырабатывается в основном на дизельных энергетических установках с использованием дорогого привозного топлива. К тому же, в последние-десятилетия-одной из насущных проблем!стало энергоснабжение предприятий сельских районов..Только в Тамбовской области насчитывается; более 3210 таких предприятий. Энергоснабжение большинства из них заключается в обеспечении электроэнергией и теплом жилого дома (или нескольких домов) и производственной базы. Нагрузка фермерского хозяйства-относительно мала, но, как правило, для подключения к энергосистеме требуется -,. строительство высоковольтной линии; электропередачи и понизительной подстанции.
Потенциальные возможности использования нетрадиционных возобновляемых источников как в России, так и в Тамбовской области достаточно велики. На территории России и других стран CHF имеется более 30 районов, где возможно широкомасштабное использование групп ветроэнергетических установок (ВЭУ) [24]. Среди них Курильские острова, Сахалин, Дальний Восток, север России, нижнее течение В ол ги, Дона; Лены, Средняя * Азия и Казахстан. Для ряда районов ветроэнергетика уже сейчас может быть конкурентоспособной и окупиться зачетыре-пять лет [24]. Экономическая и экологическая эффективность ВЭУ на большей части территории РФ может быть обеспечена путем эксплуатации средних и крупных ветроагрегатов с горизонтальной и вертикальной осями вращения при небольших; скоростях ветра (2-5 м/с) [3 2]. По данным метеостанций; на Камчатке средняя, скорость ветра держится на
16
уровне.5 - 8 м/с [33]: Природный комплекс Калининградской области обладает ветровым потенциалом (5 м/с), который может быть использован разработанными ; в России ВЭУ; номинальная • мощность достигается * при скорости ветра 10 - 12 м/с. Разработана схема размещения ВЭУ с позиции скорости ветра: на побережье Балтийского моря и материковой части области [34]. Ветроэнергетический потенциал атмосферы над территорией бывшего СССР составляет более 30 тыс. кВт-ч/г., что в 1,5 раза больше энергетического потенциала [35]. Прогнозируемая потребность России к 2000 году, которая может быть обеспечена платежеспособным спросом, оценивается в 60 - 70 тыс. ветроагрегатов, в том числе больше 90% мощностью до 10 кВт [8].
Ветроэлектрический парк "Заполярный" (10 ветроагрегатов) работает в составе местной энергосистемы и обеспечивает надежность электроснабжения насосной станции Усинского гидроузла. Место размещения ВЭУ "Заполярная'' - 30 км восточнее г.Воркуты в предгорьях Полярного Урала..Общая проектная мощность - 2,5 МВт
В 1997 году в Архангельскойобласти было установлено 3 ветроагрегата BWC EXCEL мощностьюпо 10 кВт - в деревнях Красное (2 шт.) и Козлы (1 шт.). Деревня. Красное расположена на острове Никольское (один из самых больших островов в дельте реки Северная Двина) в 15 км на северо-запад от Архангельска. Смонтирована ВЭУ мощностью 10 кВт Московской области в деревне Пятница Солнечногорского района в качестве резервной электростанции на деревообрабатывающем предприятии. Ещё 8 ветротурбин В WC EXCEL установлены на демострационном объекте в, деревне Ржавка Солнечногорского района Московской области. Аналогичная: 10 кВт энергоустановка смонтирована в фермерском хозяйстве "Альфа-фермер" Челябинской области в поселке Мирный для энергоснабжения небольшой молочной фермы. В Ростовской; области есть электростанция, работающая в составе "Ростовэнерго", известная как ВЭС-300. В ее составе 10 ветротурбин мощностью по 30 кВт каждая. По инициативе Минтопэнерго России и местного руководства в 20 км от г. Элисты пущена в эксплуатацию ВЭС мощностью 1000 кВт. В Калининграде
17
осуществляется; российско-датский проект, направленный на решение энергетических проблем региона путем сооружения ветропарка из 21 ВЭУ в районе пос. Куликово. Произведен монтаж ВЭУ мощностью 600 кВт.[158]
Для России на период 2002-2010 гг. планируется внедрение солнечных фотоэлектрических установок в объеме 2,36 МВт с выработкой 3,77 млн..кВт-ч. Установленная мощность гелионагревательных систем определена в объеме 69,89 Гкал/ч при выработке энергии на 111,82 тыс. Гкал, что обеспечивает замещение органического топлива в количестве* 15,99 тыс. т у.т. Средние удельные капитальные затраты 9,3 тыс. руб./кВт установленной мощности. Также запланирована выработка электрической энергии на основе биомассы в объеме установленной мощности в 152,02 МВт, а производство тепловой энергии 2753^74:тыс. Ркал, что обеспечивает, суммарное замещение органического топлива в количестве 686,37 тыс. т. у.т.[157];
Для эффективного использования альтернативных источников требует-ся умение рассчитать возможности выработки энергии от подобных источников с учётом района, а также оценить экономическую целесообразность выработки энергии возобновляемыми: источниками по сравнению с использованием органического топлива.
1.4. Использование энергии ветра
В настоящее время сложилось единое мнение, что ветер как источник энергоресурсов переходит из разряда прогнозируемых в разряд реальных источников, способных вносить определенный вклад в топливно-энергетический;баланс (ТЭБ) страны. Технический потенциал выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) в мире составляет 20000 ТВт-ч в год-. [6]. Мощность установок достигла 2700 МВт. Количество ветроагрегатов различных конструкций и назначения превышает 2,4 млн. [7, 8]. Реальные возможности ВЭУ составляют И - 13 % всех возобновляемых источников энергии. В пер-

 Часть из работы     Получить работу