Домой

Методология ресурсного и технико-экономического обоснования использования ветроэнергетических установок




НазваниеМетодология ресурсного и технико-экономического обоснования использования ветроэнергетических установок
страница1/8
Дата05.01.2013
Размер2.21 Mb.
ТипАвтореферат
Содержание
Список терминов, сокращений и обозначений
Актуальность темы
Научная новизна работы
V(h) и направления φ(h)
Кз) на ВЭС с техническими параметрами ВЭУ и установленные особенности структуры Кз
Практическая ценность работы
На защиту выносятся следующие положения
Диссертация содержит
Структура и объем диссертации.
Содержание работы.
В Главе 1 “Современное состояние и тенденции развития мировой и российской ветроэнергетики”
ЭлЭн стран за счет ВЭС на 1–2%/год реален, а доля ВЭС в суммарной выработке ЭлЭн
В Главе 2 “Методика моделирования технической надежности и мощности ВЭС в заданном месте или районе России”
РТП Рег ≈ 0,5–1,0% и примерно постоянны за ресурс; – Р
Av6 = 0,93–0,95; – значения Av
Эз на ВЭУ разных поколений (в
РВЭУ с учетом φ(h)
ЭлЭн во внутренних сетях ВЭС и их собственное потребление ЭлЭн
В Главе 3 “Разработка и применение методик достоверного определения ВЭП и мощности ВЭС на территории РФ”
G(V) явилась количественная схожесть ω
...
Полное содержание
Подобные работы:
  1   2   3   4   5   6   7   8

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства


На правах рукописи


НИКОЛАЕВ Владимир Геннадьевич


МЕТОДОЛОГИЯ РЕСУРСНОГО И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК


Специальность 05.14.08 –

энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Москва – 2011


Работа выполнена в Автономной некоммерческой организации «Научно-информационный центр «АТМОГРАФ», г. Москва и

Санкт-Петербургском государственном политехническом университете


Научный консультант – доктор технических наук,

Безруких Павел Павлович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белей Валерий Феодосиевич


доктор физико-математических наук

профессор Соловьев Александр Алексеевич


доктор технических наук, профессор

Харченко Валерий Владимирович


Ведущая организация – Московский энергетический институт (МЭИ)


Защита состоится «___ » ____________ 2012 г. в 10 часов на заседании

диссертационного Совета Д 006.037.01 при ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства»

по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ


Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ


Автореферат разослан « ____ » ______________ 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук Некрасов А.И.


^ Список терминов, сокращений и обозначений


АПК

аграрно-промышленный комплекс РФ

ω(ΔV)

эмпирическая повторяемость скорости

АС

аэрологическая станция

f(V),

аналитические функции плотности вероят-

МС

метеорологическая станция

G(V)

ности распределения скорости ветра

ВИЭ

возобновляемые источники энергии

P(V)

рабочая характеристика ВЭУ (зависимость

ВК

ветроколесо ВЭУ




ее мощности от скорости ветра)

ВЭ

ветроэнергетика

VР

скорость регулирования ВЭУ (VР≈10–15 м/с)

ВЭП

ветроэнергетический потенциал

VБУР

буревая скорость ВЭУ (VБУР ≈ 20–30 м/с)

ВЭУ

ветроэнергетическая установка

PНОМ

номинальная мощность ВЭУ при VВЕТРА=VР

ВЭС

ветроэлектрическая станция

PВЭУ

располагаемая мощность ВЭУ

ГазЭС

электростанция на газе

ξMAX =

максимальная доля удельной мощности

ДЭС

дизельная электростанция

СР.МАХ

ветра, утилизируемая ВЭУ

ЕС

Европейский Союз

In

индекс годовой инфляции

ЕТР

Европейская территория РФ

КИУМ

ВЭУ/РНОМ (%) коэффициент использова-

ЕЭС

единая электроэнергетическая система




ния номинальной мощности ВЭУ

Кз

капитальные затраты

СХ

суточный ход

Эз

эксплуатационные затраты

ГХ

годовой ход

ЛЭП

линия электропередачи

ЭлЭн

электроэнергия

ПСА

пограничный слой атмосферы

RПВУ

радиус подобия ветровых условий

СЭл

себестоимость электроэнергии

GWEC

Global Wind Energy Council

ТЭО

технико-экономическое обоснование

EWEA

European Wind Energy Association

РТП

вероятность технических простоев

СНГ

союз независимых Государств

РШТ

вероятность энергетических штилей

ТЭК

топливно-энергетический комплекс

HБ

высота башни (мачты) ВЭУ

ТГ

техническая готовность

HВК

высота оси ветроколеса ВЭУ

ТП

технические простои

DВК

диаметр ветроколеса ВЭУ

ТЭС

топливные электростанции


^ Актуальность темы обусловлена необходимостью создания системы научно-методического, информационного, технико-экономического и нормативно-правового обеспечения ветроэнергетики в России и важнейших для ее становления разработок схем размещения ВЭС в РФ, государственной и региональных стратегий, программ и правовой базы. Основу такой системы должны составлять достаточно достоверные и эффективные по срокам и затратам (отсутствующие ныне) методики определения характеристик ВЭП и технико-экономических показателей ВЭУ.

Цель работы – разработка методологии и реализующей ее расчетной методики для ресурсного и технико-экономического обоснования целесообразности, масштабов и направлений использования ВЭУ в субъектах РФ и России в целом.

^ Научная новизна работы состоит в разработке и использовании нового методического подхода и реализующих его методик определения в заданном месте или районе РФ энергетических и экономических показателей современных ВЭС, исследования их технической эффективности и надежности, а также оптимального планирования их использования с учетом ресурсных, инфраструктурных и макроэкономических условий в РФ и ее регионах, основными результатами которых явились выявленные:

1) многолетний ход и долгосрочный (на весь ресурсный период) прогноз ремонтных простоев, эксплуатационных затрат и технической готовности и энергетических показателей ВЭУ и ВЭС с учетом региональных и местных характеристик ВЭП.

2) новые закономерности территориального и временного распределения и существенно уточненные региональные характеристики ВЭП и энергетических показателей ВЭС на территории России и выявленные регионы РФ, перспективных для эффективного использования современных ВЭС. Кардинальное повышение точности моделирования ВЭП и мощности ВЭС достигнуто автором с использованием компьютерных технологий обработки и статистического моделирования многолетних аэрологических данных в совокупности с данными метеонаблюдений.

3) развитая методика прогнозных оценок экономических показателей ВЭУ и ВЭС в разных регионах РФ и достоверно установленная их рыночная конкурентоспособность в выработке электроэнергии с традиционными для России ТЭС.

4) возможности повышения энергетической и экономической эффективности сетевых ВЭС и автономных ВДЭС и принципиально новых энергоисточников на базе ВЭУ и источников ЭлЭн на базе использования жидкого азота как энергоносителя.

В части 1 наиболее важными результатами автора являются установленные:

– уравнения связи мощностей ВЭУ и их рабочих характеристик, диаметров ветроколес и высот их башен, высотных профилей скорости и направления ветра в ПСА;

– модели и количественная оценка факторов снижения мощности ВЭУ;

– прогностические модели изменчивости за 20-летний ресурс вероятности и длительности технических простоев, технической готовности и выработки электроэнергии ВЭС;

– прогноз располагаемой мощности ВЭУ в заданном районе или пункте России и значений удельной (на 1 км2 занимаемой площади) мощности современных ВЭС;

– значения и пределы точности и достоверности долгосрочного определения мощности ВЭС и ее региональной и сезонной изменчивости на территории России;

– расчет величины технического ВЭП административных субъектов и РФ в целом.

В части 2 наиболее важными научными результатами являются установленные:

– статистически достоверные связи средних сезонных скоростей и направлений ветра с характеристиками подстилающей поверхности и рельефа и создание на их базе и классификации Милевского ветровой закрытости МС метода “очистки” данных;

– новый класс наиболее достоверных из известных табулированных функций, аппроксимирующих региональные эмпирические повторяемости ветра по скоростям;

– факторы и закономерности высотного распределения высотных профилей скорости ^ V(h) и направления φ(h) ветра и ВЭП в ПСА в разных регионах России;

– новый класс высокоточных многоуровневых моделей V(h) и φ(h), построенный по метеорологическим и аэрологическим данным для разных климатических регионов;

– значения и пределы точности и достоверности определения ВЭП в России;

– достоверные средние сезонные значения ВЭП в 600-метровом ПСА в разных климатических регионах России, рассчитанные по моделям V(h) и G(V);

– новые регионы России с достаточным ВЭП для эффективного использования ВЭС.

В части 3 наиболее важными научными результатами являются:

– уточненные с использованием развитого методического подхода значения экономического ВЭП административных субъектов и РФ в целом;

– математическая модель связи капитальных затрат (^ Кз) на ВЭС с техническими параметрами ВЭУ и установленные особенности структуры Кз в российских условиях;

– прогностические модели многолетних расходов на ремонт и выявленные с их помощью многолетний ход затрат на эксплуатацию ВЭС и их экономический ресурс;

– моделирование и прогноз на ресурсный период доходов и расходов на ВЭС при различных сценариях инфляции и роста цен на электроэнергию и топливо в РФ и ЕС;

– разработанная эффективная для РФ схема ценообразования на электроэнергию ВЭС;

– установленные значения экономического эффекта использования ВЭС в России.

^ Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты обеспечивают возможности ускоренного и достоверного определения технико-экономических показателей проектов ВЭС любого масштаба, разработки схем оптимального размещения ВЭС на территории России и региональных и государственной программ развития отечественной ветроэнергетики. Практически важные результаты включают:

– численные прогностические модели многолетней длительности ремонтных простоев, технической готовности, выработки ВЭС и эксплуатационных затрат на них;

– численно реализованную методику статистически достоверного расчета ВЭП, энергетических и экономических показателей ВЭС на территории России;

– установленные субъекты РФ, районы, места и отрасли эффективного использования ВЭС с их технико-экономической оценкой и обоснованием инвестиций;

– методические рекомендации по оптимальному с учетом местного ВЭП выбору технических характеристик сетевых ВЭС, оптимальной комплектации ВДЭС и использованию источников энергии нового типа на базе ВЭУ и жидкого азота для эффективного и экологически чистого автономного производства ЭлЭн.

– рекомендации к разработке эффективной схемы закупочных цен на ЭлЭн ВЭС в РФ;

– установленные технологически, энергетически и экономически целесообразные темпы и масштабы использования ВЭС в России до 2030 г., ресурсное и технико-экономическое обоснование генеральной схемы размещения ВЭС в РФ до 2020 г.;

^ На защиту выносятся следующие положения:

  1. Автором разработана методология и реализующая ее информационно-аналитичес-кая и численная методика определения и анализа ВЭП и энергетической эффективности ВЭС известных типов в заданной месте или районе с погрешностью < 12–15% для равнинных и 18–24% для сложных по рельефу и подстилающей поверхности территорий, что минимум вдвое точнее других известных аналитических методик. Методика близка по точности к требуемой за рубежом 10%-ной точности обоснования инвестиций проектов ВЭС (достигаемой с использованием экспериментальных и аналитических методов), но в 3–4 раза эффективнее зарубежных по затратам времени и средств.

  2. Выбор определяющих энергетическую и экономическую эффективность ВЭС технических параметров и типов базовых ВЭУ, а также их использования в гибридных (ветро-дизельных, ветро-криогенных) должен производится с учетом характеристик ВЭП, существенно меняющихся по территории РФ.

  3. Результаты исследований, полученные с использованием разработанных автором методик, доказывают, что в России имеются все (за исключением правовой базы) необходимые ресурсные, технические, энергетические и экономические условия для широкомасштабного эффективного использования ВЭС. При этом:

3.1) технический ВЭП РФ превышает 11500 млрд кВт·ч/год (в 11,5 раз больше потребления ЭлЭн в стране), ВЭП Центрального, Северо-Западного, Приволжского и Южного ФО, где проживает 73% населения РФ, составляет не менее 3450 млрд кВт·ч/год;

3.2) энергетический потенциал ВЭС, вырабатывающих ЭлЭн с меньшей на 18-20% себестоимостью, чем наиболее экономичные в настоящее время ТЭС на газе, превышает 1100 млрд кВт∙ч/год (больше современного потребления ЭлЭн в РФ);

3.3) с учетом установленных в работе технологических и производственных ограничений суммарные установленные мощности ВЭС в РФ к 2020 и 2030 годам могут составлять до 7 и 30 ГВт соответственно с годовой выработкой не менее 17,5 и 80–85 млрд кВт∙ч/год с ее долей до 5–6% от потребления ЭлЭн в стране в 2030 г.

3.4) годовое замещение газа в РФ при работе ВЭС суммарной мощности 30 ГВт может составить 30–35 млрд м3 при сокращении выбросов в атмосферу СО2 40–50 млн т.

3.5) целесообразные масштабы эффективного использования ВЭС составляют: в ТЭК – до 30 ГВт, на транспорте – до 17 ГВт, в АПК – не менее 1,9 ГВт;

Личный вклад автора состоит в том, что им:

– проведен анализ достигнутого уровня и перспектив развития ВЭ в мире и России;

– сформулирована и структурирована актуальная для России научно-техническая проблема; разработана методология и обеспечено поэтапное ее решение;

– реализован сбор и анализ данных измерений МС и АС и на их основе разработана и численно реализована методика статистического моделирования территориальных, сезонных и суточных распределений ВЭП в ПСА на территории России;

– проведен анализ пространственного и временного распределения ВЭП на территории РФ, выявлены районы его возможной эффективной утилизации;

– выявлены функциональные связи характеристик ВЭП с технико-экономическими показателями ВЭС и установлены регрессионные соотношения между ними;

– разработаны и численно реализованы методики определения экономической эффективности ВЭУ и ВЭС на территории России;

– разработаны обоснования инвестиций более 40 проектов ВЭС в РФ для международных и отечественных организаций (TACIS, NREL, РАО “ЕЭС России”, “РусГидро”, ЦАГИ, ИЭС, НИИЭС, НПО “Ветроэн”, “Ветроэн-Юг” и др.

Апробация и экспертиза работы и ее результатов проводилось более чем на 60 международных и российских конференциях и семинарах GWEC, EWEA, TACIS, NREL (США), RISO (Дания), IEO (Бразилия), ЦАГИ, ИФА РАН, МГУ, КГТУ, ИО РАН.

^ Диссертация содержит 135 публикаций автора: 5 монографий, свыше 100 статей в научно-технических журналах (23 – из списка ВАК), сборниках научных трудов, докладов и тезисов конференций, до 20 отраслевых НТО, 9 стандартов РФ и ISO.

^ Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 298 наименований. Работа содержит 273 страниц текста и включает 132 таблицы, 128 рисунков и 25 цветных карт.

^ Содержание работы.

Во введении определен предмет исследования. обоснована актуальность, сформулированы научные проблемы, практическая значимость работы, цель и основные положения, выносимые на защиту. Дана общая характеристика работы.

^ В Главе 1 “Современное состояние и тенденции развития мировой и российской ветроэнергетики” дан анализ уровня, тенденций, темпов и масштабов развития ВЭ в мире – высокотехнологичной, энергетически и экономически эффективной и масштабной энергетической отрасли, диверсифицировавшей структуру производства ЭлЭн Германии, Дании, Испании. К 2011 г. суммарная мощность ВЭС в мире достигла 194 ГВт с выработкой более 430 ТВт·ч. Рост мощностей ВЭС в мире последние 10 лет составлял 25–30%/год с максимумом 31,7% в кризисный 2009-ый год. Рост суммарной мощности ВЭС в мире аппроксимируется с погрешностью <6% установленным автором экспоненциальным выражением: РВЭС=ехр[0,235·(n–1)–460] (n – номер года), с удвоением мощности в 2,7 года, что свидетельствует о происходящей революции в мировой электроэнергетике. Мировые лидеры по установленной мощности ВЭС на начало 2011 г.: Китай (42,3 ГВт), США (40,2), Германия (27,2), Испания (20,7), Индия (13,1), Италия (5,8), Франция (5,66), Великобритания (5,2), Канада (4,0), Дания (3,75 ГВт). Реализуемые планы по доли выработки ВЭС от суммарной к 2030 г. в ФРГ –25%, в Испании –30%, в США, Канаде и Бразилии –20%. По прогнозам GWEC к 2030 г. доля выработки ЭлЭн ВЭС составит 20–25%, а к 2020 г.–11,5–12,7% при следующих показателях: рабочих мест –2,3 млн; установленная мощность ВЭС в мире –1254 ГВт при годовой выработке ЭлЭн –3054 ТВт·ч; снижение выбросов СО2 ≈1,8 млрд т/год; инвестиции ≈80 млрд €/год. Описаны собранные данные и результаты анализа современного уровня и тенденций развития технологий и производства ВЭУ, используемые в работе для построения технико-экономических моделей ВЭС. Дан анализ уровня определения ВЭП и энергетической и экономической эффективности ВЭС за рубежом с оценкой возможностей его использования в РФ. Сформулированы актуальные научно-технические задачи повышения эффективности проектирования ВЭС и научного сопровождения российской ВЭ (рис.1.3). Проведен анализ мирового опыта политической, правовой и экономической господдержки ВЭ. Дан обзор исторического опыта и современного состояния ветроэнергетики в России, суммарная установленная мощность которых составляет менее 15 МВт.

Основные результаты и выводы Главы 1 сводятся к следующим.

1. Рост суммарной выработки ^ ЭлЭн стран за счет ВЭС на 1–2%/год реален, а доля ВЭС в суммарной выработке ЭлЭн страны >10% технологически допустима и экономически эффективна. При поддержке государств доли ВЭС в суммарной выработке ЭлЭн до 3–5 и 10–13% реально достижимы за 6–7 и 10–12 лет. Многие страны, в том числе обеспеченные собственными запасами нефти, газа, угля, урана, реализуют планы использования ВЭС как одного из базовых источников ЭлЭн.

2. Масштабное развитие ветроэнергетика получила только в странах с правовой и экономической государственной поддержкой.

3. Достигнутые современные технологический, производственный и экономический уровни развития мировой ветроэнергетики предоставляют широкие возможности для международного сотрудничества в ее развитии в России.

4. Реализация планов Правительства РФ по вводу ВИЭ требует программных, организационных, правовых и экономических мер, основанных на достоверном определении ВЭП и эффективности ВЭС на всей территории РФ, требующих эффективных по точности и затратам (материальным и временным) методик ускоренного проведения ресурсных и технико-экономических обоснований, проведение которых по западным методикам заняло бы до 2,5–3-х лет и стоило бы до 50 млн €.

5. В главе собраны данные, необходимые и используемые для моделирования технико-эксплуатационных и экономических показателей ВЭС в условиях России.

^ В Главе 2 “Методика моделирования технической надежности и мощности ВЭС в заданном месте или районе России” описана развитая автором методика моделирования технической готовности и мощности ВЭС в реальных условий их работы в заданном месте или районе России, и методические основы и результаты определения технического ВЭП РФ и ее субъектов. Для определения мощности ВЭС РВЭС рабочей характеристике P(V) автором развита математическая модель:

VБУР M

РВЭС = КТГ(n) ·КНИД ·( ρ/ρо) · ∫ P(V)·f(V)dV = КТГ (n) · КНИД ·( ρ/ρо )· Σ P (Vn )·G (Vn ) (2.1),

Vo m=1 где VБУР и Vо – буревая и начальная скорости ВЭУ, M – число градаций скорости ветра, ρо и ρ – стандартная (1,225 кг/м3) и реальная для данного сезона и места плотности воздуха, G(V) – разработанный автором новый класс функций распределения ветра по скоростям на высоте оси ВКВЭУ HВК. КТГ(n) и КНИД – развитые автором модели функции ТГ ВЭС (n –номер года эксплуатации ВЭУ) и коэффициента неидеальности работы ВЭС.

Методика моделирования (
  1   2   3   4   5   6   7   8

Поиск по сайту:



База данных защищена авторским правом ©dogend.ru 2014
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Уроки, справочники, рефераты