Исследование эффективности зарубежных и отечественных прикладных программ для расчёта комплексных энергетических систем на основе ВИЭ

08.05.2021 JeeesAdmin 2021-01 0

Хайретдинов Ильдар Радисович [0000-0002-8875-6966]1,2,  Денисов Константин Сергеевич[0000-0003-0632-261X]1,3, Велькин Владимир Иванович[0000-0002-4435-4009]1,4

1Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

2E-mail: ildar-hairetdino@bk.ru

3E-mail: denser93@mail.ru

4E-mail: v.i.velkin@urfu.ru

Аннотация. В статье рассматривается вопрос об исследовании эффективности зарубежных и отечественных прикладных программ для расчета ВИЭ. Основное внимание уделяется комплексным энергетическим системам на основе возобновляемых источников энергии. Рассмотрены функциональные возможности программ «VizProRES 2019» и «Homer». Приведены описания программных комплексов «VizProRES 2019» «Homer» для подбора оптимального состава основного и вспомогательного оборудования на базе ВИЭ. Выполнен расчет комплексной энергосистемы для потребителя населенного пункта Растущий Свердловской области.

Ключевые слова: программный комплекс, возобновляемые источники энергии, фотоэлектрический преобразователь, ветроэнергетическая установка, комплексная энергетическая система

Актуальность темы данной статьи вызвана необходимостью надёжного и экономически эффективного энергоснабжения автономных потребителей в децентрализованных районах. Одним из путей решения данной проблемы является рост доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергетическом балансе таких объектов. Наиболее популярными источниками являются энергия воды, солнечная и ветряная энергии.  К наиболее распространённым технологиям можно отнести фотоэлектрические преобразователи, ветроэнергетические установки, гидроэлектрические станции. Однако проблема в том, что по отдельности данные типы оборудования не способны обеспечить беспрерывное энергоснабжение потребителя в течение года, и следует применять комплексные энергетические системы на основе ВИЭ, включающие различные варианты компоновки оборудования. В связи с этим, необходим расчёт оптимального, отвечающего требованиям потребителя, соотношения мощностей оборудования разных типов. В настоящее время существуют различные зарубежные и отечественные компьютерные программы для расчета комбинированных энергетических систем на базе ВИЭ.

Целью данной работы является исследование эффективности зарубежных и отечественных прикладных программ для расчета комплексных систем на базе ВИЭ. Для анализа были выбраны программы «Homer» [1,2] и «VizProRES» [3,4]. Для расчета оптимального состава оборудования выбраны различные ветроэнергетические установки (ВЭУ), фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) и топливные генераторы (ТГ). В расчете также участвуют вспомогательное оборудование, такие как инвертор и аккумуляторные батареи (АКБ). В качестве примера выбран объект со среднемесячным потреблением 453 кВтч в населенном пункте Растущий Свердловской области [5],  где находится «Энергоэффективный дом», ставший испытательным полигоном для студентов и сотрудников кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии. В «Энергоэффективном доме», наряду со штатной системой, имеется комплекс установок на основе возобновляемых источников энергии. В составе комплекса ВИЭ в «Энергоэффективном доме» были последовательно внедрены ветроэнергетические установки, фотоэлектрические панели, солнечные коллекторы, дизельные генераторы (ДГ), биогазовая установка, микро-гидроэлектростанция (микроГЭС), аккумуляторные батареи и т.д. В программе «VizProRES 2019» для расчета применяются реальные климатические данные региона загруженных из базы данных NASA.

Программный комплекс «Homer» разработан американской Национальной Лабораторией ВИЭ (National Renewable Energy Laboratory), который на сегодняшний день является наиболее известным и применяемым для решения задач автономного энергообеспечения. Программа «Homer» предназначена для проектирования энергетических систем и сопоставления нескольких вариантов компоновки системы с различным составом оборудования на основе технико-экономического сравнения [4].

На рисунке 1 представлено окно расчета оптимального состава оборудования в программном обеспечении «HOMER». Из рисунка видно, что рассчитанная оптимальная система включает в себя ФЭП, ВЭУ, АКБ, ДГ и инвертор. Суммарные затраты составляют 2 296 960 руб., а себестоимость 1 кВтч электроэнергии — 14,07 руб.

На рисунке 2 видно, что в летнее время нагрузка покрывается за счет ФЭП и ВЭУ, в зимнее время в основном за счет ВЭУ и ДГ.

Программа «VizProRES 2019» предназначена для определения оптимального состава основного и вспомогательного оборудования, работающего на основе возобновляемых источников энергии с учетом технических и экономических параметров оборудования на основе реальных природно-климатических данных выбранного региона. Программа была разработана на кафедре атомных станций и возобновляемых источников энергии Уральского федерального университета. К основным функциональным возможностям программы можно отнести:

1. поиск оптимального состава оборудования на основе ВИЭ, учитывая график потребления электроэнергии для заданного географического района;

2. выполнение графического анализа рассчитанного оптимального состава оборудования комплексной системы;

3. возможность выполнения графического анализа различных вариантов компоновки системы, в том числе существующих комплексных систем;

4. моделирование поведения системы за весь расчетный период с учетом суточных колебаний выработки энергии;

5. возможность включения в расчет фотоэлектрических панелей, ветроэнергетических установок, напорных мГЭС, свободнопоточных мГЭС, топливных генераторов, АКБ, инверторов и централизованной электрической сети.

В программном комплексе для поиска оптимального состава оборудования целевой функцией является минимум общих затрат за период эксплуатации [4]:

где у–общие затраты за период эксплуатации, руб.;

?1,?2,?3,?4,?8− Количество единиц оборудования ФЭП, ВЭУ, АКБ, ТГ, свободных МГЭС, соответственно; ед. (эндогенная переменная);

?5, ?7–Наличие электросети ЭС, Напорной МГЭС соответственно; (эндогенная переменная);

?инв− Количество единиц оборудования-инверторов; ед. (экзогенная переменная);

?1(Сфэп), ?2(СВЭУ), ?3(САКБ), ?4(СТГ), ?5(СЭС), ?6(Синв), ?7(СНапор.МГЭС), ?8(ССвобод.МГЭС)− приведенные затраты за период эксплуатации одной установкой ФЭП, АКБ, ТГ, ЭС, Инвертора, Напорной МГЭС, Свободнопоточной МГЭС руб. (экзогенная переменная);

Z∑ –общая выработка энергии кВт∙чза весь период эксплуатации от ТГ (эндогенная переменная);

r(ЦТГ) –стоимость выработки 1 кВт∙ч от ТГ, руб./кВт∙ч (экзогенная переменая);

E∑ –общая выработка энергии кВт∙ч за весь период эксплуатации от ЭС (эндогенная переменная);

p(ЦЭС) –стоимость выработки 1 кВт∙ч от ЭС, руб./кВт∙ч (экзогенная переменная).

Стоимость электроэнергии за 1 кВт∙ч находится как

где ??∑ –суммарная электроэнергия, выработанная комплексной системой, кВт∙ч.

На рисунке 3 приведен график производства электроэнергии оборудованием оптимального состава комплексной энергосистемы на базе ВИЭ в программе «VizProRES». Оптимальный состав энергосистемы включает в себя ФЭП, ВЭУ, АКБ, ДГ и инвертор. Суммарные затраты за расчетный период для данной системы составили 3 711 603 руб., а себестоимость электроэнергии за кВтч равна 22,71 руб. Из графика видно, что в летнее время нагрузка покрывается за счет ФЭП и ВЭУ, ДГ вырабатывает малую часть энергии. В зимнее время электроснабжение обеспечивается за счет ВЭУ и ДГ, ФЭП вырабатывает мало.

При анализе работы программы и сравнения её с зарубежными и существующими аналогами можно выделить следующие преимущества и недостатки программы:

Преимущества

•         удобный и простой интерфейс, язык интерфейса – русский;

•         используются общероссийские единицы измерения;

•         учитываются недельные и годовые изменения потребления электроэнергии;

•         возможность сравнения с вариантом присоединения потребителя к централизованной электрической сети;

•         учитываются расходы на вспомогательное оборудование комплексной системы на базе ВИЭ.

Недостатки:

•         нет возможности расчета тепловой части;

•         не учтено изменение расхода топлива ТГ в зависимости от изменения суточного графика нагрузки и продолжительности работы.

Выводы

На основе проведенных расчетов можно сделать выводы, что комплексная система, включающая в себя ФЭП, ВЭУ, дизельный генератор, инвертор и аккумуляторные батареи, является оптимальной для энергоснабжения населенного пункта Растущий.  Стоимость 1 кВтч электроэнергии от комплексной энергосистемы, рассчитанной в компьютерной программе «VizProRES»  составляет 22,71 руб/кВт·ч, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии от энергосистемы, рассчитанной в «Homer» – 14,07 руб/кВт·ч. В результате проведенных расчетов в программных комплексах «VizProRES» и «HOMER» можно сделать заключение, что комплексные энергосистемы целесообразно использовать для энергоснабжения автономных потребителей. При этом использование программных комплексов отечественного и зарубежного производства, таких как «VizProRES» и «HOMER» позволяет определить наиболее эффективный состав таких систем, а также провести экономический и энергетический анализ эксплуатации выбранной системы.

Литература

  1. Lambert, T., Gilman, P. & Lilienthal, P., Micropower system modeling with HOMER, in Integration of Alternative Sources of Energy, FA Farret and MG Simoes. 2006, Wiley-IEEE Press. p. 379-418.
  2. HOMER Energy [Electronic resource]. Mode of access: http://www.homerenergy.com/ (accessed: 8.09.2019).
  3. Свидетельство о Гос. регистрации программы для ЭВМ № 2019618978, Программа расчета комплексной энергетической системы на основе возобновляемых источников энергии «VizProRES 2019», Денисов К.С., Велькин В.И, Тырсин А.Н.. Зарегистрировано 08.07.2019 г.
  4. Денисов, К.С. Решение задачи комплексного энергоснабжения автономного потребителя с целью уменьшения экономических затрат / К.С. Денисов, В.И. Велькин, А.Н. Тырсин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика».  2019. Т. 19, № 3. С. 84–92.
  5. Энергоснабжение удаленного объекта на основе оптимизации кластера ВИЭ: монография / В. И. Велькин. – Екатеринбург: УрФУ, 2013. – 100 с.

References

  1. Lambert, T., Gilman, P. & Lilienthal, P., Micropower system modeling with HOMER, in Integration of Alternative Sources of Energy, FA Farret and MG Simoes. 2006, Wiley-IEEE Press. p. 379-418.
  2. HOMER Energy [Electronic resource]. Mode of access: http://www.homerenergy.com/ (accessed: 8.09.2019).
  3. Certificate of State registration of the computer program No. 2019618978, Program for calculating the integrated energy system based on renewable energy sources «VizProRES 2019», Denisov K. S., Velkin V. I., Tyrsin A. N. Registered on 08.07.2019.
  4. Denisov, K. S. The solution of the problem of complex energy supply of an autonomous consumer with the purpose of reducing economic costs / K. S. Denisov, V. I. Velkin, A. N. Tyrsin / / Vestnik SUSU. Series «Power Engineering». 2019. Vol. 19, no. 3. pp. 84-92.
  5. Power supply of a remote object on the basis of optimization of the RES cluster: monograph / V. I. Velkin. — Yekaterinburg: UrFU, 2013. — 100 p. ISBN 978-5-321-02309-9