Исследование и оптимизация структуры и состава фото-дизельных электростанций северных поселков

Введение …………………………………………………………………………………………………………… 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ФОТОЭНЕРГЕТИКИ ………………………………………………………………………………………. 10

1.1. Перспективы развития фотоэнергетики в мире и России …………………………. 10

1.2. Децентрализованные системы электроснабжения в России ……………………….. 14

1.3. Распространенные расчетные комплексы и методы оптимизации
децентрализованных систем электроснабжения………………………………………………. 20

1.4. Преимущества и недостатки расчетных комплексов ………………………………….. 30

1.5. Краткие выводы ………………………………………………………………………………………… 32

2. АВТОНОМНЫЕ ФОТО-ДИЗЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 33

2.1. Варианты схем построения фото-дизельных электростанций …………………….. 33

2.2. Факторы, определяющие технико-экономическую эффективность гибридной
системы электроснабжения ……………………………………………………………………………… 36

2.2.1. Инсоляция и ее временное распределение ………………………………………………. 36

2.2.2. Объем и временное распределение необходимой энергии……………………….. 40

2.2.3. Стоимость дизельного топлива и его влияние на себестоимость кВт*ч
электрической энергии ……………………………………………………………………………………. 46

2.3 Математическое моделирование элементов децентрализованных систем
электроснабжения с фотоэлектрическими станциями ………………………………………. 52

2.4 Краткие выводы …………………………………………………………………………………………. 60

3. АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ГИБРИДНЫХ ФДЭС …………………………………. 61

3.1 Задачи и алгоритмы оптимизации структуры и состава фото-дизельных систем
электроснабжения …………………………………………………………………………………………… 61

3.2 Моделирование энергетического баланса фото-дизельной системы
электроснабжения с непрерывной дизельной генерацией…………………………………. 68
3.3 Моделирование энергетического баланса гибридной системы, с возможностью
отключения ДЭС …………………………………………………………………………………………….. 80

3.4 Краткие выводы …………………………………………………………………………………………. 95

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ФОТО-ДИЗЕЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ……………………………………………………………………………………… 96

4.1 Оптимизация гибридных фото-дизельных электростанций с непрерывной
дизельной генерацией в условиях северных широт Якутии ……………………………… 96

4.2 Влияние широты местности на оптимальный состав оборудования гибридных
электростанций в условиях Якутии………………………………………………………………… 114

4.3 Оптимизация гибридных фото-дизельных систем электроснабжения с
отключаемой ДЭС …………………………………………………………………………………………. 123

4.4 Краткие выводы ……………………………………………………………………………………….. 139

Заключение …………………………………………………………………………………………………… 140

Список литературы ……………………………………………………………………………………….. 142

Приложение 1 ……………………………………………………………………………………………….. 151

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Проанализированы факторы, определяющие технико-экономическую
эффективность установки гибридных ФДЭС. В частности, перспективность их
строительства на северных территориях. Определено что территория Якутия
обладает значительным уровнем инсоляции на всей ее территории. При этом в
северных районах (начиная с 66º с.ш.) летом наблюдается полярный день, что
увеличивает продуктивность ФДЭС в летнее время по сравнению с южными.
Стоимость топлива в Якутии имеет самые большие значения по сравнению с
другими территориями России, особенно если учитывать децентрализованные
области. Все это говорит о целесообразности применения гибридных ФДЭС в
Якутии.
2. Проанализированы распространённые программные комплексы оптимизации
гибридных систем. Программный комплекс PVsyst определен, как наилучший
инструмент позволяющий определять показатели ФЭС наиболее детально. Для
оценки адекватности итоговых данных фотоэлектрических систем проведена
верификация программного комплекса PVsyst, на основе сравнения основных
энергетических показателей реального объекта с расчетными. Выявлена
возможность применения комплекса при расчетах, так как погрешность не
превышает 10% в годовом разрезе.
3. PVsyst не решает в полной мере вопроса оптимизации гибридных ФДЭС,
поскольку предназначен для проектирования только фотоэлектрических
систем. Создан инструмент оптимизации установленных мощностей составных
частей гибридной электростанции на основе математических моделей
элементов ФДЭС, и программного продукта MS Excel сопряженного с
данными получаемыми из специализированного ПО PVsyst.
4. Разработаны алгоритмы работы математической модели оптимизации, с учетом
требований к продлению срока службы основного генерирующего
оборудования, а также устойчивости фото-дизельной системы, отражающие
последовательность действий требуемых для определения оптимальных
технико-экономических характеристик ФДЭС различных схемных решений.
5. Проведена оптимизация технико-экономических характеристик ФДЭС с
непрерывной дизельной генерацией на основе частного примера в п. Батагай.
По итогам анализа определено, что мегаваттные станции, в совокупности с
удаленным месторасположением объекта электроснабжения по экономическим
соображениям требуют применения ФДЭС с параллельной работой составных
частей, без возможности аккумулирования энергии. При этом установленная
мощность ФЭС мегаваттных станций на широтах аналогичных п. Батагай
должна составлять около 20% от максимального значения нагрузки. При
смещении подобной гибридной ФДЭС с непрерывной дизельной генерацией в
южные территории Якутии установленная мощность ФЭС может быть
увеличена до 30% от максимального значения нагрузки за счет большей
интенсивности солнечного излучения в переходные периоды, когда величина
нагрузки значительна.
6. Поиск оптимальных технико-экономических характеристик ФДЭС с
отключаемой дизельной составляющей показал, что данное схемное решение
целесообразно при уровнях нагрузки примерно до 100÷150 кВт. Рекомендуемая
установленная мощность ФЭС при данном схемном решении в северных
широтах по экономическим соображениям должна равняться максимальному
значению нагрузки.

1. АлферовЖ.И.Тенденциииперспективыразвитиясолнечной
фотоэнергетики [Электронный ресурс] / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д.
Румянцев // Физика и техника полупроводников. — 2004г. — выпуск №8. —
том 38. — Режим доступа: http://journals.ioffe.ru/ftp/2004/08/p937-948.pdf.
2. Башмаков И.А., Оценка расходов на энергоснабжение в ргоинах Крайнего
Севера [Электронный ресурс] / И.А. Башмаков, М.Г. Дзедзичек //
Энергосбережение научный журнал. — 2017. — выпуск №4. — Режим
доступа: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6664
3. ГОСТ13822-82Электроагрегатыипередвижныеэлектростанции,
дизельные. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 30 с.
4. Герметизированныестационарныеаккумуляторныебатареи«Хэйз»
[Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.haze.ru/
5. Дмитриенко В. Н. Особенности гибридных децентрализованных солнечно
дизельных комплексов мегаваттного класса /В.Н. Дмитриенко, Б.В.
Лукутин//XXВсероссийскаянаучно-техническаяконференция
«Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». — Томск: НИ
ТПУ, 2014 — Т. 1. — С. 69-73.
6. Дмитриенко В. Н. Перспективы развития фотоэнергетики в России / В.Н.
Дмитриенко, Б.В. Лукутин // XXI Всероссийская научно-техническая
конференция
«Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». — Томск: НИ
ТПУ, 2015 — Т. 1. — С. 64-67.
7. ДмитриенкоВ.Н.Солнечно-дизельныесистемыэлектроснабжения
северных поселков / В.Н. Дмитриенко, Б.В. Лукутин // Современные
проблемы науки и образования. — 2014г. – №3.
8. Дмитриенко В.Н.Методика оценки энергии солнечного излучения для
фотоэлектростанции / В.Н. Дмитриенко, Б.В. Лукутин // Известия Томского
политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2017. — Т.
328, № 5. — С. 49-55.
9. Дмитриенко В.Н. Строительство солнечной электростанции в п. Батагай
Верхоянского улуса республики Саха (Якутия). Основные технические
решения. / М.В. Алексеев, В.Н. Дмитриенко, // Пояснительная записка
497406-ПЗ.ОТР. — Томск. — 2014г.
10.ДмитриенкоВ.Н.Выбормощностигенерирующегооборудования
автономной солнечно-дизельной электростанции мегаваттного класса / В.Н.
Дмитриенко, Б.В. Лукутин // Фундаментальные исследования – 2015. – №4 –
С.61 – 66.
11.Европейская ассоциацияфотогальваническойпромышленностиEPIA
[Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.epia.org.
12.Иванова И.Ю. Малая энергетика Севера: проблемы и пути развития / И.Ю.
Иванова. — Новосибирск: Наука, 2002. — 188 с.