Оптимизация структуры и режимов фотоэлектростанций северных территорий

Объектом исследования является небольшой поселок Попигай на территории крайнего севера вблизи села Хатанга.
Цель проекта: разработка системы децентрализованного электроснабжения объекта электроснабжения – небольшого поселка, располагающегося на территории крайнего севера, произвести экономическое обоснование принимаемых решений.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13

Обзор литературы…………………………………………………………………………………….. 14

1 Технические и климатические особенности объекта ………………………………. 17

1.1 Объект электроснабжения, характеристики, требования к
электроснабжению ………………………………………………………………………………… 17

1.2 Климатические особенности объекта ……………………………………………….. 20

1.3 Характеристика дизельной электростанции ……………………………………… 23

1.4 Экономические характеристики потребителя …………………………………… 24

2 Оценка потенциала децентрализованного электроснабжения …………………. 30

2.1 Оценка потенциала использования энергии солнца ………………………….. 30

2.1.1 Классический теоретический расчет солнечной радиации …………… 32

2.2 Разработка структурной схемы системы электроснабжения ……………… 41

3 Выбор оборудования……………………………………………………………………………… 42

3.1 Типы солнечных батарей, их характеристики …………………………………… 42

3.1.1 Солнечные панели из монокристаллических фотоэлектрических
элементов …………………………………………………………………………………………… 43

3.1.2 Солнечные панели на основе поликристаллических
фотоэлектрических элементов…………………………………………………………….. 44

3.1.3 Солнечные батареи из аморфного кремния …………………………………. 45

3.1.4 Солнечные панели из теллурида кадмия ……………………………………… 46

3.1.5 Солнечные панели на основе CIGS ……………………………………………… 46

3.3 Выбор солнечных модулей ………………………………………………………………. 47

3.4 Выбор контроллера, аккумуляторных батарей и инвертора ………………. 51

3.4.1 Выбор аккумуляторных батарей …………………………………………………. 51
3.4.2 Выбор контроллера …………………………………………………………………….. 58

3.4.3 Выбор инвертора ………………………………………………………………………… 59

3.5 Принципиальная схема фотоэлектростанции ……………………………………. 61

4 Алгоритм работы системы электроснабжения объекта …………………………… 63

5 Financial Management, Resource Efficiency and Resource conservation ………. 64

5.1 Theoretical background………………………………………………………………………. 64

5.1.1 Net Present Value ………………………………………………………………………… 64

5.1.2 Internal Rate of Return …………………………………………………………………. 65

5.1.3 Profitability Index (PI) ………………………………………………………………….. 65

5.1.4 Payback period …………………………………………………………………………….. 66

5.2 Economic parameters …………………………………………………………………………. 66

5.2.1 Inflation ………………………………………………………………………………………. 66

5.2.2 Tax shield ……………………………………………………………………………………. 66

5.2.3 Depreciation ………………………………………………………………………………… 67

5.2.4 Discount rate ……………………………………………………………………………….. 67

5.3 Financial model …………………………………………………………………………………. 67

5.3.1 Net Present Value (NPV) ………………………………………………………………. 68

5.3.2 Internal Rate of Return (IRR) ………………………………………………………… 68

5.3.3 Profitability Index (PI) ………………………………………………………………….. 68

5.3.4 Payback Period (PP) …………………………………………………………………….. 69

5.4 Comparative analysis of two power supply system operations ………………… 69

5.4.1 Diesel generators power supply ……………………………………………………… 69

5.4.2 Power supply from photovoltaic panels and diesel generators …………… 71

6 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 73

6.1 Производственная безопасность ………………………………………………………. 74
6.1.1 Меры по снижению и устранению опасных и вредных факторов … 74

6.1.1.1 Защита от электромагнитного поля (ЭМП) ……………………………. 74

6.1.1.2 Освещение помещений …………………………………………………………. 76

6.1.1.3 Микроклимат помещений ……………………………………………………… 77

6.1.1.4 Защита от шума …………………………………………………………………….. 79

6.1.2 Опасные производственные факторы ………………………………………….. 80

6.1.2.1 Электрический ток………………………………………………………………… 80

6.1.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………. 81

6.1.4 Экологическая безопасность ………………………………………………………. 85

6.1.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 87

6.1.5.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства ….. 87

6.1.5.2 Организационные вопросы обеспечения безопасности ………….. 88

Заключение ……………………………………………………………………………………………… 91

Список литературы ………………………………………………………………………………….. 94

Приложение А

Appendix В

Appendix С
Реферат
Данная работа содержит в себе 105 л., 30 рис., 24 табл., 48 источников,
3 приложения.
Ключевые слова: децентрализованное электроснабжение,
возобновляемые источники энергии, Крайний Север, полярный день,
экономия топлива.
Объектом исследования является небольшой поселок Попигай на
территории крайнего севера вблизи села Хатанга.
Цель проекта: разработка системы децентрализованного
электроснабжения объекта электроснабжения – небольшого поселка,
располагающегося на территории крайнего севера, произвести
экономическое обоснование принимаемых решений.
Для достижения поставленной цели использованы расчетные и
графоаналитические методы, климатические характеристики заданного
региона, пакеты программ Mathcad 2015, Excel, графический редактор
Microsoft Visio.
Актуальность работы: В настоящее время все больше и больше
говорят о дефиците углеводородов, о возможном решении проблемы при
помощи использования альтернативных источников энергии, так как
дефицит традиционных ресурсов энергии неизбежно приведет к
постепенному росту цен на энергоносители в будущем. Кроме того, на
территории России существует множество отдаленных районов,
подключение которых к центральному электроснабжению затруднено,
данный факт также способствует развитию альтернативной энергетики в
России. Более того, страна изобилует природными возобновляемыми
источниками энергии.
Солнечная энергетика имеет большой потенциал, но пока не
реализованный на практике в полной мере. Кроме того, для удаленных
объектов, на долю которых приходится до 70% территории страны с
населением до 23 млн. человек, солнечная альтернативная энергетика в
России может стать решением проблемы [1]. Исследуемый поселок входит в
число удаленных объектов.
Ключевым фактором в данной работе является проблема обеспечения
электроэнергией удаленного от централизованного электроснабжения
объекта, решить которую возможно с использованием солнечной энергии.
Проектирование нового или реконструируемого объекта включает этап
выбора схемных решений систем электроснабжения. На данном этапе
необходимо обеспечить требования ПУЭ в соответствии с установленной
категорией надежности объекта и выбрать наиболее экономичный вариант из
рассматриваемых.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих
задач:
– анализ существующего генерирующего оборудования;
– выбор необходимого типа, мощности и количества оборудования
фотоэлектростанции;
– разработка схемы электроснабжения поселка;
– оценка экономической эффективности внедрения солнечных
источников электроэнергии;
– оценка объёмов экономии топлива при применении гибридной
электростанции.
Результаты, полученные в проекте, могут быть использованы при
решении задач электроснабжения удаленных объектов.

В данном разделе были рассмотрены вопросы охраны окружающей
среды и охраны труда обуславливающего социальную ответственность
энергетического комплекса предприятий. Также в разделе были рассмотрены
вредные, опасные факторы при проектировании и исследовании объектов
электроэнергетики, негативное воздействие на окружающую среду. Кроме
этого рассмотрены средства защиты от вредных и опасных факторов, учтены
факторы защиты окружающей среды. Также были рассмотрены
организационные вопросы обеспечения безопасности при работе с
электроустановками.
Заключение

Главной целью данной магистерской диссертации являлось
проектирование фотоэлектростанции на Крайнем Севере, а также подготовка
технико-экономического обоснования предлагаемого варианта. Вся работа
разделена на 6 глав, с несколькими подглавами в каждой из них.

Таким образом, первая глава посвящена техническим и
климатическим особенностям исследуемого объекта. Что касается
технических характеристик, то категория надежности электроснабжения –
третья. Установленная мощность поселка – 100 кВт, благодаря чему были
построены типовые графики суточных нагрузок для каждого сезона в
течение года с учетом статистических данных [18]. Годовое потребление
электроэнергии поселком составляет 306,8 МВтч в год. Что касается
климатических особенностей, то исследуемый объект находится за
Полярным кругом. Следовательно, основной климатической особенностью
поселка является наличие полярного дня и полярной ночи. Полярная ночь на
широте Хатанги длится с 17 ноября по 25 января, полярный день длится с 9
мая по 4 августа. Но оценка потенциала использования энергии солнца
представлена во второй главе.

Во второй главе представлен расчет солнечной радиации двумя
способами. Первый способ связан с использованием статистических данных
из научно-прикладного справочника по климату СССР [9], данные которого
собирались в течение пятидесяти лет. Второй метод связан с использованием
классического теоретического расчета солнечной радиации [20]. Таким
образом, в дальнейших расчетах использовалась общая солнечная радиация
за месяц, сочетающая эти два метода. Анализируя полученную информацию,
был сделан следующий вывод: наиболее благоприятные месяцы для
использования солнечных модулей – май, июнь и июль, поскольку в эти
месяцы присутствует полярный день. Во второй главе также представлена
структурная схема гибридной системы электроснабжения.

Третья глава посвящена проектированию фотоэлектростанции в
поселке на Крайнем Севере. В данной главе был осуществлен выбор всего
необходимого оборудования. Таким образом, фотоэлектростанция включает
в себя 432 солнечных модуля, 288 аккумуляторных батареи, 6 контроллеров
и 6 инверторов. Принципиальная схема фотоэлектростанции также
приведена в этой главе.

В четвертой главе был разработан алгоритм работы системы
электроснабжения объекта: когда работают солнечные панели совместно с
аккумуляторными батареями – не работают генераторы и наоборот.

Цель пятой главы – экономический анализ. Расчет основных
финансовых показателей: ЧДД, ВНД, ИР, ПО. В финансовой модели получен
отрицательный ЧДД, результат составляет -42,8 млн. руб. при стоимости
электроэнергии 95 руб. ВНД в проекте отсутствует, так как проект
экономически не эффективен с точки зрения расчета ЧДД. Что касается ИР,
то он равен 0,39. Согласно «правилу индекса рентабельности», если ИР
меньше единицы, то следует остерегаться данного проекта. Период
окупаемости больше, чем срок службы оборудования. Минимальная
стоимость 1 кВтч составляет 579 руб. при ЧДД равном 0, но настоящая
стоимость электроэнергии составляет 100 руб. за 1 кВтч, что означает
экономически неэффективный проект. Также в данной главе подсчитана
экономическая эффективность проекта на примере сэкономленного топлива
для дизель – генераторов. Представлен сравнительный анализ работы двух
систем электроснабжения. Первый вариант включает в себя солнечные
панели, аккумуляторные батареи и дизель – генераторы. Второй вариант
включает в себя только дизель -генераторы. Сравнительный анализ
проводился в зависимости от потребленного топлива. Таким образом,
разница в суммарной стоимости топлива составляет 1,3 млн. руб. Экономия
топлива в литрах составляет 25 528. Значит, правительство сможет
сэкономить только 1,3 млн. руб. в год с внедрением фотоэлектростанции в
поселке, но инвестиции для 20летнего периода составляют 39,2 млн. руб.
Таким образом, для покрытия капиталовложений без какой-либо прибыли
потребуется около 30 лет, но через 20 лет необходимо будет произвести
замену оборудования на новое, что потребует дополнительных вложений.
Следовательно, проект не является экономически эффективным с точки
зрения сокращения затрат на топливо.

Подводя итог, внедрение фотоэлектростанции экономически
неэффективно в этом регионе, несмотря на наличие полярного дня в течение
трех месяцев. Инвестиции слишком велики, чтобы покрываться за счет
экономии топлива. Моя рекомендация с точки зрения финансовых
показателей использовать только дизель – генераторы, но с точки зрения
получения чистой электроэнергии и заботе об экологии окружающей среды –
внедрить фотоэлектростанцию.

1.«Экологические основы природопользования». [Электронный
ресурс] – Режим доступа: свободный.http://mydocx.ru/11-109736.html
2.Subhes C. – Energy Economics: Concepts, Issues, Markets and
Governance, Springer, 2011, ISBN: 0857292676.
3.Сайт Правительства Российской Федерации. [Электронный
ресурс] – Режим доступа: свободный. http://government.ru/info/32060/
4.Сайт Правительства Российской Федерации. [Электронный
ресурс] – Режим доступа: свободный. http://government.ru/news/10228/
5.Правительство РФ Распоряжение от 8 января 2009 г. № 1-р
Москва.[Электронныйресурс]-Режимдоступа:свободный.
http://static.government.ru/media/files/nthMKeFTloAfD4MAI2bR4pNQ1lsdce0M
.pdf
6.Научный журнал «Международный журнал прикладных и
фундаментальных исследований». [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный. http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7733
7.Сайт «INTERFAX.RU». [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный. http://www.interfax.ru/russia/449197
8.Сайт «ЗЕЛЕНЕЕТ». [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный.http://zeleneet.com/solnechnaya-elektrostanciya-na-krajnem-
severe/124/
9.Сайт «РАО Энергетические Системы Востока». [Электронный
ресурс]-Режимдоступа:свободный.http://www.rao-
esv.ru/activity/renewable-energy/solar-power/
10. Сайт «Якут.ЕР.РУ». [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный. http://yakut.er.ru/news/2016/6/10/ozvucheny-osnovnye-problemy-v-
oblasti-energetiki-v-respublike-saha-yakutiya/
11. Википедия – Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] –
Режим доступа: свободный. https://ru.wikipedia.org/wiki/Попигай
12. Правила устройства электроустановок. – Издание 7-е, 2002. – 330
с.
13. Википедия – Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] –
Режим доступа: свободный. https://ru.wikipedia.org/wiki/Полярная_ночь
14. «Солнечный калькулятор» [Электронный ресурс] – Режим
доступа: свободный. http://www.hmn.ru
15. «Расписание погоды» [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный. https://rp5.ru/Хатанга
16. «Компания Дизель». [Электронный ресурс] – Режим доступа:
свободный.http://www.comd.ru/catalog/dizelnye-elektrostancii-tsena-
DES/Professional/DGU-dizel-generatory-MMZ/dizelnaya-elektrostanciya-50-kvt-
AD-50-T400-MMZ/automatization-grades/
17. Федеральный Закон № 261 от 23.11.2009 «Об энергосбережении и
о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в
отдельные законодательные акты Российской Федерации»
18. Будзко И.А. и др. Электроснабжение сельского хозяйства. – М.:
Колос, 2000. – 536с
19. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3.
Выпуск 21. – Л.:Изд-во Гидрометеоиздат, 1990. – 312с.
20. Самойлов Д.В. Расчет величины поступления теплоты от
солнечной радиации на поверхность Земли: Методические указания/Под ред.
Ю.В. Пешти. – М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 20 с.: ил.
21. М.Гёнтер.ПродвинутыеCSPобучающиематериалы.
[Электронный ресурс] – Режим доступа: свободный. http://www.energy-
science.org/bibliotheque/cours/1361469594Chapter%2002%20radiation.pdf