Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении

Подождите немного. Документ загружается.

Лукутин Б.В. , Суржикова О.А. , Шандарова Е.Б.

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА В

ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Монография

Москва

Энергоатомиздат

2008

УДК 620.9(075.8): 621.31

Л84

Лукутин Б.В.

Л84 Возобновляемая энергетика в децентрализованном электро-

снабжении: монография / Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова., Е.Б.

Шандарова. – М.:Энергоатомиздат, 2008. – 231 с.

ISBN 978-5-283-03272-9

Возобновляемая энергетика сегодня является наиболее динамично разви-

вающимся направлением электро- и теплоэнергетики. Особое значение возоб-

новляемые ресурсы имеют в децентрализованных системах электроснабжения,

характерных для значительных территорий России и других стран.

В монографии рассмотрены энергетические характеристики основных

видов природных возобновляемых источников энергии (ВИЭ): ветра, потоков

воды, солнечного излучения, геотермальных вод, биомассы и способы их пре-

образования в электроэнергию. Значительное внимание уделено вопросам по-

вышения энергоэффективности преобразования первичного энергоресурса и

рациональному построению автономных систем электроснабжения с использо-

ванием электростанций, использующих различные виды ВИЭ. Представлены

экономические аспекты использования возобновляемой энергетики в автоном-

ном электроснабжении. На примере некоторых регионов Сибири показаны

возможности практического использования подобных систем энергообеспече-

ния.

УДК 620.9(075.8): 621.31

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор ТПУ

В.В. Литвак

Доктор технических наук, профессор НГТУ

Ю.А. Секретарев

ISBN 978-5-283-03272-9

Коллектив авторов, 2008

Томский политехнический университет, 2008

Энергоатомиздат , 2008

Предисловие

Современное развитие энергетики в России характеризуется рос-

том стоимости производства энергии. Наибольшее увеличение стоимо-

сти энергии наблюдается в удаленных районах Сибири и Дальнего Вос-

тока России, Камчатки, Курильских островов, где в основном исполь-

зуются децентрализованные системы электроснабжения на базе дизель-

ных электростанций, работающих на привозном топливе. Совокупная

стоимость электроэнергии в

этих районах часто превышает мировой

уровень цен и достигает 0,25 и более долларов США за 1 кВт·ч.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно

решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития во-

зобновляемой энергетики. Для интенсификации практического исполь-

зования возобновляемых энергоресурсов в этих странах законодательно

устанавливаются различные льготы для

производителей «зеленой»

энергии. Однако решающий успех возобновляемой энергетики опреде-

ляется в конечном счете ее эффективностью в сравнении с другими бо-

лее традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергети-

ки. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой

энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливно-

энергетических ресурсов уже сегодня определяют технико-

экономические преимущества электростанций, использующих

возоб-

новляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимуще-

ства будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляе-

мой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический ба-

ланс.

В книге даны научно-технические основы использования возоб-

новляемых источников энергии и показаны возможности их использо-

вания для производства электроэнергии в локальных системах

электро-

снабжения.

Книга включает шесть разделов: 1) возобновляемые энергоресур-

сы территории и условия их использования для генерирования электро-

энергии; 2) состояние и перспективы развития возобновляемой энерге-

тики; 3) электростанции, использующие энергию ветра; 4) малая гидро-

энергетика в децентрализованном электроснабжении; 5) геотермальные

и солнечные электростанции; 6) электростанции, использующие хими-

ческую энергию биомассы.

В первой главе приведена классификация возобновляемых

источ-

ников энергии и определены их энергетические характеристики для

производства электрической энергии. Анализ энергетических характе-

ристик произведен с использованием фактических данных территории

Томской области.

Вторая глава посвящена обзору материалов по развитию возоб-

новляемой энергетики в мире и в России. В этой же главе показаны эко-

номические условия производства электроэнергии с использованием во-

зобновляемых энергоресурсов.

В третьей главе рассмотрены ветроэлектростанции и их энергети-

ческие характеристики. Показаны способы

повышения энергоэффек-

тивности рабочих режимов и дана методика оценки технико-

экономических характеристик автономных ветроэлектростанций. Даны

рекомендации по созданию локальных систем электроснабжения с уча-

стием ветроэлектростанций.

В четвертой главе описаны наиболее распространенные типы

микрогидроэлектростанций автобалластного типа, дан анализ их режи-

мов работы, рекомендации по разработке машинно-вентильных источ-

ников электроэнергии для

таких станций и приведена методика техни-

ко-экономического анализа их характеристик.

В пятой главе дано описание принципов построения и конструк-

тивных особенностей геотермальных и солнечных электростанций. По-

казаны особенности их применения для децентрализованного электро-

снабжения. Приведены технико-экономические характеристики этих

энергоустановок.

Шестая глава посвящена возможностям преобразования химиче-

ской энергии биомассы в

электроэнергию. Приведены технико-

экономические характеристики автономных электростанций, исполь-

зующих биотопливо.

Глава 1. Возобновляемые энергоресурсы территории

и условия их использования для генерирования

электроэнергии

1.1. Классификация возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это энергоресурсы

постоянно существующих природных процессов на планете, а также

энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительно-

го и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ явля-

ется их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потен-

циал за короткое время – в пределах срока жизни

одного поколения лю-

дей.

Почти 30 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии

с резолюцией 33/148 (1978г.) введено понятие «новые и возобновляе-

мые источники энергии», в которое включаются следующие формы

энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн,

приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа,

тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1].

Чаще

всего к возобновляемым источникам энергии относят энер-

гию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую

энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

– механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

– тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и

тепла Земли);

– химическая энергия (энергия,

заключенная в биомассе).

Если использовать понятие качества энергии – коэффициент по-

лезного действия, определяющий долю энергии источника, которая мо-

жет быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно класси-

фицировать следующим образом: возобновляемые источники механиче-

ской энергии характеризуются высоким качеством и используются в ос-

новном для производства электроэнергии. Так, качество гидроэнергии

характеризуется значением 0,6-0,7; ветровой – 0,3-0,4. Качество тепло-

вых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3-0,35. Еще ниже показатель каче-

ства солнечного излучения, используемого для фотоэлектрического

преобразования, – 0,15-0,3. Качество энергии биотоплива также относи-

тельно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Энергетический потенциал ВИЭ может оцениваться различными

значениями в зависимости от степени учета технико-экономических ас-

пектов

применения возобновляемой энергетики. С этих позиций приня-

то выделять валовый потенциал ВИЭ, технический потенциал ВИЭ и

экономический.

Валовый потенциал – это количество энергии, заключенное в дан-

ном виде энергоресурса, при условии ее полного полезного использова-

ния. Технический потенциал – это часть валового потенциала, преобра-

зование которого в полезную энергию целесообразно при соответст-

вующем уровне развития технических средств. Экономический потен-

циал ВИЭ – часть технического потенциала, который экономически це-

лесообразно преобразовывать в полезную энергию при конкретных эко-

номических условиях.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых

источников энергии определяются в первую очередь их экономической

эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энерге-

тическими технологиями. Основными преимуществами ВИЭ по срав-

нению с энергоисточниками на органическом топливе являются прак-

тическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение

многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных ве-

ществ в окружающую среду. Однако они, как правило, более капитало-

емки, и их доля в общем энергопроизводстве пока невелика (за исклю-

чением гидроэлектростанций). Согласно большинству прогнозов, эта

доля останется умеренной и в ближайшие годы. Вместе с тем во многих

странах мира возрастает интерес к разработке и внедрению нетрадици-

онных и возобновляемых источников энергии. Это объясняется не-

сколькими причинами.

Во-первых, ВИЭ, уступая традиционным энергоисточникам при

крупномасштабном производстве энергии, уже в настоящее время при

определенных условиях эффективны в малых автономных энергосисте-

мах, являясь более экономичными (по сравнению с энергоисточниками,

использующими дорогое привозное органическое топливо) и экологи-

чески чистыми.

Во-вторых, применение даже более дорогих, по сравнению с

традиционными энергоисточниками, ВИЭ может оказаться целесооб-

разным по другим, неэкономическим (экологическим или социальным)

критериям. В частности, применение ВИЭ в малых автономных энерго-

системах или у отдельных потребителей может существенно повысить

качество жизни населения.

В-третьих, в более отдаленной перспективе роль ВИЭ может

существенно возрасти и в глобальном масштабе. В ряде стран и между-

народных организаций проводятся исследования долгосрочных пер-

спектив развития энергетики мира и его регионов. Интерес к этой про-

блеме обусловлен определяющей ролью энергетики в обеспечении эко-

номического роста, ее существенным и все возрастающим негативным

воздействием на окружающую среду, а также ограниченностью запасов

топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим, в будущем неиз-

бежна кардинальная перестройка структуры энергетики с переходом к

использованию экологически чистых и возобновляемых источников

энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода к

устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечи-

вающей, с одной стороны – экономический рост и повышение уровня

жизни людей, особенно в развивающихся странах, с другой – снижение

негативного влияния деятельности человека на окружающую среду до

безопасного предела, позволяющего избежать в долгосрочной перспек-

тиве катастрофических последствий. В переходе к устойчивому разви-

тию важная роль будет принадлежать новым энергетическим техноло-

гиям и источникам энергии, в том числе ВИЭ.

Т а б л и ц а 1

Ресурсы ВИЭ в мире и России

Вид энергии Теоретические ресурсы,

млн., т.у.т.

Технические ресурсы,

млн., т.у.т.

мир Россия мир Россия

Энергия солнца 1,3·10

2,3·10

5,3·10

2,3·10

Энергия ветра 2,0·10

2,6·10

2,2·10

2,0·10

Геотермальная энергия

(до глубины 10 км)

4,8·10

1,7·10

1,0·10

Энергия мирового океана 2,5·10

Энергия биомассы 9,9·10

9,5·10

Гидроэнергия 5,0·10

3,6·10

1,7·10

1,2·10

Оценим грубо потенциальные возможности источников возоб-

новляемой энергии, предполагая, что при рациональном её использова-

нии для создания комфортных условий жизни требуется в среднем 2

кВт на человека. С каждого квадратного метра земной поверхности

можно получать, используя различные ВИЭ, в среднем 500 Вт мощно-

сти. Если считать, что эффективность преобразования этой энергии в

удобную для потребления форму всего 4%, то для мощности 2 кВт тре-

буется площадь 100 м

. Средняя плотность населения в городах с уче-

том пригородной зоны примерно 500 человек на 1 км

. Для обеспечения

их энергией из расчета 2 кВт на человека необходимо с 1 км

снимать

1000 кВт, т.е. достаточно занять всего 5% площади. Таким образом,

ВИЭ могут вполне обеспечить удовлетворительный уровень жизни, ес-

ли будут найдены приемлемые по стоимости методы её преобразования,

с учетом ресурсного потенциала. Общие ресурсы ВИЭ в мире и России

приведены в таблице 1 [2,5]. Однако, вклад этих источников в мировой

энергетический баланс в настоящее время достаточно скромен.

К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ,

следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и

крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоноси-

теля приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоуста-

новок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов

его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах акку-

мулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате,

стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсут-

ствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.

Повышение энергетической эффективности установок, исполь-

зующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается

различными путями, предусматривающими как улучшение технико-

экономических характеристик собственно энергетического оборудова-

ния, так и оптимизацию

его энергетических балансов и режимов с уче-

том изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника. С

точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносите-

ля в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику

следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической

системой относительно большой мощности. В первом случае энергоба-

ланс децентрализованной системы электроснабжения определяется со

отношением графика электрических нагрузок системы и изменением

энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования

энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем. В процес-

се согласования должны решаться следующие задачи.

1. Обеспечение максимально эффективного использования возоб-

новляемого энергоресурса.

2. Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии,

что, в большинстве случаев, требует включения в энергосистему

нако-

пителей энергии.

3. Управление режимами работы преобразователей энергии, регу-

лирование параметров генерируемой электроэнергии.

Для решения указанных задач используются различные схемные

решения энергоустановок.

1. Система со сбросом излишков энергии (рис. 1). Данный способ

согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потреби-

телей отличается максимальной простотой и заключается в использова-

нии части потенциала первичного энергоносителя, необходимой для

энергообеспечения текущего значения нагрузки потребителя. Остав-

шаяся энергия возобновляемого источника не используется. Системы

энергообеспечения такого типа широко применяются в конструкциях

гидроэлектростанций,

ветроэлектростанций с изменяемым шагом вет-

ротурбин, в системах солнечного обогрева с управляемыми заслонками

и др.

Рис.1. Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями:

а) система со сбросом энергии; б) система с накопителем энергии; в) система с регу-

лируемой нагрузкой. 1 – ВИЭ; 2 – преобразователь энергии; 3 - потребитель;

4 – сброс в окружающую среду; 5 – накопитель; 6 – регулятор

2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первично-

го энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной на-

грузки, могут аккумулироваться и, в свою очередь, питать нагрузку в

периоды недостатка потенциала возобновляемого энергоресурса. В ка-

честве накопителей энергии могут использоваться различные устройст-

ва: гидроаккумулирующие системы, маховики, аккумуляторные батареи

и др. Данные системы

более эффективно используют первичный энер-

горесурс и широко применяются практически во всех типах энергоуста-

новок возобновляемой энергетики.

1 2 3

а)

1 2 3

б)

1 2 3

в)

3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы обеспечи-

вают полное использование первичного энергоресурса за счет управле-

ния текущей мощностью нагрузки. Регулирование нагрузок обычно

осуществляется автоматически с помощью полупроводниковых авто-

балластных систем. В качестве балластных нагрузок низкого приорите-

та применяются нагревательные устройства.

Следует отметить, что кроме максимального использования пер-

вичного энергоресурса подобные

системы позволяют эффективно

управлять режимом первичного преобразователя энергии и, в ряде слу-

чаев, параметрами выходного напряжения.

Сетевые электростанции, использующие возобновленные энерго-

ресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования

электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью

принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того,

энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, рабо-

тающей

синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упро-

щают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой

энергетики по сравнению с автономными электростанциями. Увеличе-

ние суммарной мощности установок возобновляемой энергетики по от-

ношению к мощности энергосистемы приводит к необходимости реше-

ния некоторых проблем, характерных для энергобалансов автономных

систем. В частности, приходится решать проблему

перераспределения

мощностей между топливными электростанциями и электростанциями

на ВИЭ с целью энергообеспечения потребителей при минимальном

расходе топлива. Такие проблемы успешно решаются в некоторых

странах – лидерах в практическом использовании возобновляемой энер-

гетики, например в Германии.

Интенсивные работы по совершенствованию технико-

экономических характеристик энергоустановок и комплексов на основе

возобновляемых источников энергии, проводимые

во многих странах,

определили впечатляющую динамику снижения затрат на производство

«зеленой» электроэнергии.

Динамика стоимости электроэнергии, получаемой от традицион-

ных и возобновляемых энергоресурсов, а также удельные капиталовло-

жения в традиционные и нетрадиционные электростанции (1980/2000

гг.) показаны в таблице 2 [13].

В частности: с 1980 г. по 1990 г. удельные стоимости за 1 кВт ус-

тановленной мощности и 1 кВт·ч вырабатываемой энергии снизились с

50000$ до 20000$ и с 1,5$ до 0,35$ на солнечных электростанциях и с

3000$ до 1750$ и с 0,25$ до 0,07$ на ветровых электростанциях [6-8],

что определило их конкурентоспособность с традиционной энергети-