К вопросу об электроснабжении северных муниципальных образований от солнечно-дизельных электростанций

Цитирование: Бастрон А. В. К вопросу об электроснабжении северных муниципальных образований от солнечнодизельных электростанций / А. В. Бастрон, А. С. Дебрин, И. И. Засимов, Н. В. Цугленок // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2025, 18(2). С. 144–153. EDN: QULSHG

Таким образом, основная задача, решаемая при использовании ВИЭ, – это электроснабжение удаленных населенных пунктов и промышленных объектов с децентрализованным электроснабжением и высокими тарифами на электрическую энергию. В Красноярском крае, без учета коммерческих организаций и частных лиц, используется 245 ДЭС и ДГ, из которых 159 ДЭС и ДГ эксплуатируются круглогодично для постоянного получения электроэнергии и являются основными источниками электроэнергии в 13 муниципальных районах, в 118 населенных пунктах, где и перспективно устанавливать генераторы на базе ВИЭ [2].

Цель работы

Целью исследования является обоснование параметров и режимов работы автономной солнечно-дизельной электростанции (СДЭС) для электроснабжения северных муниципальных образований на примере с. Ванавары Эвенкийского муниципального района Красноярского края, обеспечивающей уменьшение потребления дизельного топлива и снижение себестоимости произведённой электроэнергии.

Для достижения цели исследования необходимо было решить следующие задачи :

• 1.    Обосновать параметры и режимы работы автономной системы электроснабжения с. Ва-навары от СДЭС.

• 2.    Обосновать варианты конфигураций солнечной электростанции (СЭС) и СДЭС.

• 3.    Дать технико-экономическое сравнение себестоимости электрической энергии, полученной от ДЭС и СДЭС для с. Ванавары.

Методы исследования

В основе исследования лежат процессы компьютерного моделирования параметров и режимов работы ДЭС и СДЭС, их технико-экономических показателей в условиях с. Ванавары Эвенкийского муниципального района Красноярского края.

Моделирование параметров и режимов работы СЭС и ДЭС

Исходные данные

Доктором технических наук, профессором С. Г. Обуховым (Национальный исследовательский Томский государственный университет) разработана и реализована в виде отдельной подсистемы в программе MatLab Simulink математическая модель прихода солнечной радиации на произвольно ориентированную поверхность [3].

Особенностью модели является использование в качестве исходных данных численных значений индекса прозрачности атмосферы и альбедо поверхности, полученных из базы данных NASA SSE (Surface Meteorology and Solar Energy) [4], что обеспечивает высокую точность моделирования величины приходящей солнечной радиации, в том числе и для территорий, по которым отсутствуют результаты регулярных актинометрических наблюдений.

Модель позволяет определять текущие значения приходящей солнечной радиации для любого дня года в произвольном географическом месте размещения гелиоэнергетической установки на произвольно ориентированные поверхности, а также углы восхода, азимута, зенита и высоты солнца по солнечному и официальному местному времени.

С использованием указанной компьютерной модели [3] нами проведено моделирование прихода солнечной радиации на поверхность солнечных модулей (СМ) СЭС при их угле наклона СМ, равном 56 град. В качестве исходных данных в блок ввода данных были введены параметры, касающиеся с. Ванавары (рис. 1). Моделирование проводилось для двух вариантов конструкции СЭС: без использования трекера и с трекером.

Результаты моделирования интенсивности суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности СМ, наклоненных под углом 56 град., для условий с. Ванавары без использования трекеров и с трекерами приведены на рис. 2 и 3.

Как следует из анализа рис. 2 и 3, использование в конструкции СЭС трекеров увеличивает выработку электрической энергии, произведенную одним СМ, что позволит уменьшить количество СМ, составляющих солнечную батарею СЭС.

Моделирование параметров и режимов работы СЭС и ДЭС

Для моделирования параметров и режимов работы СДЭС автономной системы электроснабжения с. Ванавары необходимо иметь суточные (рис. 4) и месячные (рис. 5) графики нагрузки. Расчет указанных графиков приведен нами подробно в [5].

Области применения СДЭС в значительной степени будут определяться себестоимостью электрической энергии, произведенной СЭС, входящей в состав СДЭС. Альтернативным вари-

• 5] Block Parameters: RadiationX

Ввод данных моделирования

Широта местности, град

I60

Долгота местности, град

|1И|

Разница между местным временем и временем по Гринвичу, час кI

Азимутальный угол установки панели, град 1180р

Угол наклона панели, град

I56I

Номер моделируемого дня

1^1I

Индекс прозрачности атмосферы

• °-5I

0.13:

Альбедо земной поверхности (0.2 - трава; 0.9 -свежий снег)

Тип солнечного трекера

О трекер по наклону

О трекер по азимуту и наклону

ОК | Cancel | Help Apply

Рис. 1. Блок ввода данных Matlab Simulink (без трекера)

• Fig. 1.    Matlab Simulink Data Input Unit (without tracker)

Рис. 2. Зависимости среднесуточной интенсивности суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности СМ, наклоненных под углом 56 град., по месяцам года без использования в конструкции СЭС трекеров

• Fig. 2.    Dependences of the average daily intensity of total solar radiation entering the surface of solar radiation inclined at an angle of 56 degrees by months of the year without the use of trackers in the design of solar power plants

Рис. 3. Зависимости среднесуточной интенсивности суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности СМ, наклоненных под углом 56 град., по месяцам года с использованием в конструкции СЭС трекеров по наклону (горизонту)

• Fig. 3.    Dependences of the average daily intensity of total solar radiation arriving at the surface of solar radiation inclined at an angle of 56 degrees by months of the year with the use of slope (horizon) trackers in the design of solar power plants

Рис. 4. Сезонные суточные графики нагрузки системы электроснабжения с. Ванавары

• Fig. 4.    Seasonal daily load schedules of the power supply system in the village of Vanavara

Рис. 5. Годовое потребление электрической энергии с. Ванавары

Fig. 5. Annual electricity consumption in the village of Vanavara антом автономной системы энергоснабжения с. Ванавары рассматривался вариант, в котором используются только дизельные генераторы (ДГ), входящие в состав ДЭС.

В работе исследовались параметры и режимы трех вариантов СЭС, конструктивно выполненных из трех типов СМ, представленных в табл. 1.

В качестве сравниваемых вариантов приняты следующие комплекты оборудования:

– ДЭС (номинальная мощность 10 МВт):

– дизель-генератор (ДГ) АД-500СТ400–1РМ15C Cummins (Китай) мощностью 500 кВт в количестве 5 единиц (один ДГ находится в резерве) [7];

• –    ДГ АД-2000С-Т400–1РМ15 Cummins (Китай) мощностью 2000 кВт в количестве четырех единиц [8];

• –    СДЭС:

Таблица 1. Характеристики солнечных модулей [6]

Table 1. Characteristics of solar modules [6]

Наименование характеристики	SilaSolar 360 Вт PERC 9BB (Two Power)	SilaSolar 280 Вт (5BB) PERC	SilaSolar 550/690 Вт (Bifacial)
Тип	Монокристаллический	Поликристаллический	Монокристаллический
Площадь, м 2	1,82	1,61	2,58
КПД, %	21,83	19,01	23,45
Цена за единицу, руб	16 800	12 852	25 536
U xx , В	40,5	38,33	49,80

• –    ДГ АД-500С-Т400–1РМ15C Cummins (Китай) мощностью 500 кВт в количестве пяти единиц;

• –    ДГ АД-2000С-Т400–1РМ15 Cummins (Китай) мощностью 2000 кВт в количестве четырех единиц;

• –    солнечный модуль SilaSolar 550 Вт в количестве 2730 шт. [6] (занимаемая площадь СМ (ориент.) 7 558 м²);

• –    сетевой инвертор ИСС-1250 3-фазы в количестве 2 шт. [9].

Нами спроектировано три варианта СДЭС, принципиальная электрическая схема наиболее рационального варианта представлена на рис. 6.

К распределительному устройству высокого напряжения (РУ 10 кВ) подключены четыре ДГ по 2 МВт и два инвертора, через повышающие трансформаторы. К напряжению 0,4 кВ через сборные шины (РУ 0,4 кВ) подключены пять ДГ мощностью 500 кВт и через повышающие трансформаторы к распределительному устройству высокого напряжения.

Рис. 6. Принципиальная схема солнечно-дизельной электростанции с. Ванавары

Fig. 6. Schematic diagram of the solar-diesel power plant in the village of Vanavara

Исходя из графиков нагрузки с. Ванавары и выработки электрической энергии, производимой ежемесячно СЭС, оснащенной трекерами, определены режимы работы отдельно СЭС и ДЭС, входящих в состав СДЭС (рис. 7, 8). Выработка электрической энергии от СЭС была определена по методике, изложенной в [10], с учетом вольт-амперной и вольт-ваттной характеристик СМ.

Произведенный в электронных таблицах расчет себестоимости электрической энергии, произведенной от СДЭС и ДЭС, выполненный по методике, изложенной в [11, 12], показал, что себестоимость электроэнергии от СДЭС С ДЭС = 37 руб./кВт‧ч, по сравнению с аналогичным показателем от ДЭС С ДЭС = 56 руб./кВт‧ч. При этом экономия дизельного топлива СДЭС, по сравнению с ДЭС, составляет 23 %.

Рис. 7. Графики нагрузки с. Ванавары и генерации электрической энергии солнечной электростанцией и дизельной электростанцией, составляющих солнечно-дизельную электростанцию

Fig. 7. Graphs of the load of the village of Vanavara and the generation of electricity by the solar power plant and the diesel power plant, which make up the solar-diesel power plant

Рис. 8. График покрытия нагрузки солнечной электростанцией

Fig. 8. Schedule of load coverage of a solar power plant

Обсуждение результатов и выводы

• 1.    На территории Красноярского края имеется ряд потребителей, получающих электроснабжение и даже теплоснабжение от ДЭС, что приводит к высокой себестоимости электрической и тепловой энергии, получаемой за счет использования дизельного топлива (50 руб./кВт ^. ч и даже выше), и к загрязнению окружающей среды. Только в Красноярском крае установленная мощность ДЭС составляет более 100 МВт, на которых вырабатывается около 200 млн кВт ^. ч электрической энергии.

• 2.    В связи с выделением значительных государственных средств на автономные системы электроснабжения северных территорий Красноярского края актуальным становится вопрос технико-экономической оценки различных вариантов систем электроснабжения, в том числе с использованием солнечной энергии.

• 3.    Исследования годового графика нагрузки с. Ванавары показали, что минимальное потребление электрической энергии происходит в июле и составляет 0,478 МВт ^. ч, а максимальное энергопотребление 1,390 МВт ^. ч – в декабре.

• 4.    Спроектированная СДЭС, включающая ДЭС мощностью 10 МВт и СЭС мощностью 3 МВт, в июле покрывает потребности с. Ванавары в электрической энергии на 86 %, а в декабре на 4 % за счет использования солнечной энергии.

• 5.    Себестоимость электрической энергии, произведенной от СДЭС, составляет 37 руб./ кВт‧ч, по сравнению с электроэнергией, произведенной от ДЭС, себестоимость которой равна 56 руб./кВт‧ч. При этом экономия дизельного топлива СДЭС, по сравнению с ДЭС составляет, 23 %, что позволит почти на четверть продлить срок эксплуатации дорогих ДГ.