ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ

ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

Л.А.Саплин

Челябинская область занимает площадь около 87,9 тыс. кв. км и расположена большей частью на восточном склоне Южного Урала и равнине Зауралья. Область находится между 520и 560 с.ш. Население области составляет около 3,5 млн. человек, из них только около 17% проживает в сельской местности. В области сконцентрировано большое количество промышленных предприятий (в основном металлургических, машиностроительных, оборонно-промышлен-ного комплекса и др.). В 1996 году из потребленных 27,2 млр. кВт× ч электрической энергии область смогла себя обеспечить только на 55%. Остальное количество электроэнергии было получено с оптового рынка РАО. Предприятия АО "Челябэнерго" и промышленные котельные в 1996 году выработали около 40 млн. Гкал тепловой энергии, при этом дефицит по тепловой энергии составил около 5-5,5 млн. Гкал. Топливный баланс предприятий топливно-энергетического комплекса в настоящее время ориентирован на газ (около 48%), местный уголь (около 36%) и Экибастузский уголь (около 15%). Своих газовых месторождений в области нет. Производственный потенциал АО "Челябинскуголь" использован на 80%. Область не в состоянии обеспечить свои потребности в топливно-энергетических ресурсах в годы наибольшего упадка промышленного и сельскохозяйственного производства. Еще большие трудности область будет испытывать в период роста производства.

Перед Челябинской областью стоит важная задача- обеспечение роста производства электрической и тепловой энергии и роста потребления топливно-энергетических ресурсов в целом. Решение этой задачи может идти различными путями. Это строительство Южно-Уральской АЭС, техническое перевооружение и расширение существующих тепловых и электрических станций, внедрение энерго-ресурсосберегающих технологий и т.п. При этом нельзя сбрасывать со счетов использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Как показывает опыт использования нетрадиционной энергетики, в мире нет ни одной страны где бы нетрадиционные возобновляемые источники энергии составляли основу топливно-энергетического баланса. Однако существует большое количество примеров, показывающих, что нетрадиционные источники энергии могут покрывать определенное количество потребности тепловой, электрической энергии и органического топлива.

По данным VDE, производство электроэнергии в Германии на базе альтернативных источников (ГЭС, биомасса, ветер, солнце) соответствует 4,3% общего производства электроэнергии в год [ 1] . В настоящее время 28% тепловой энергии, потребляемой в Австрии, дают возобновляемые источники энергии [ 2] . Удельная стоимость плоских коллекторов солнечной энергии, которых в мире установлено 20 млн. м2, составляет для пластмассовых 70…250 долларов США/м2, для металлических- 300…1000 долл/м2 (включая затраты на монтаж) [ 3] . Стоимость получаемой тепловой энергии (исключая затраты на аккумулирование) в зависимости от технологии составляет 0,005…0,04 долл/(кВт× ч). Как ожидается, в 2020 году стоимость коллекторов достигнет 50…400 долл/м2, а тепловой энергии - 0,004…0,02 долл/(кВт× ч) [ 71] .Технический потенциал выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) в мире составляет 20000 ТВт× ч в год [4]. Мощность ВЭУ в мире достигла 2700 МВт, а количество ветроагрегатов и установок различных конструкций и назначения превышает 2,4 млн. Большой опыт в использовании энергии малых рек имеет Китай. Здесь построено более 90 тыс. ГЭС малой мощности, 60 тыс. из которых относятся к микроГЭС (до 100 кВт). Для них налажен выпуск стандартизованного оборудования, начиная с 12 кВт. Созданные в Китае ГЭС малой мощности способствуют развитию агропромышленных производств, защите от наводнений. Вырабатываемая ими электроэнергия обеспечивает около 1/3 электропотребления в сельской местности (не включая электропотребление государственными предприятиями) [6].

Для оценки возможности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Челябинской области необходимо оценить потенциал этих источников (прежде всего энергии солнца, ветра и малых рек), а также оценить экономическую целесообразность их использования.

Для районов с редкой актинометрической сетью при изучении поступления солнечной радиации можно воспользоваться косвенным методом расчета, который заключается в определении значений поступающей солнечной радиации Н как функции от известных, по данным многих метеорологических станций величин, связанных с искомым неизвестным не только зависимостями корреляционного типа, но и физического. Такими величинами являются продолжительность солнечного сияния и облачность. В настоящее время наблюдения за продолжительностью солнечного сияния и облачностью ведутся почти во всех метеорологических станциях страны. Поэтому использование той или иной искомой величины с точки зрения достаточности информации не вызывает сомнения.

Продолжительность солнечного сияния на территории Челябинской области наблюдается на 20 метеорологических станциях.

Для косвенного расчета существует целый ряд эмпирических формул. Из числа существующих эмпирических формул предварительный анализ позволил отобрать формулу, предложенную Гловером и Блэком [ 7] . Эта формула имеет вид:

(1)

где Н - суммарная солнечная радиация, МДж/м2; Н0 - солнечная радиация, поступающая на верхнюю границу атмосферы, МДж/м2; S и S0 - соответственно действительная и возможная продол-жительность солнечного сияния, ч; а и b - коэффициенты регрессии, показывающие связь между относительной суммарной радиацией и относительной продолжительностью солнечного сияния.

Для определения коэффициентов а и b использовались данные наблюдений за суммарной солнечной радиацией и продолжительностью солнечного сияния актинометрических станций Верхнее Дуброво (Свердловская область), Кушнаренково (республика Башкортостан), Памятная (Курганская область) и ст. Рудный, расположенная в Кустанайской области Казахстана. Полученные данные наблюдений усреднялись за 20…25-летний период.

По данным наблюдений изучена корреляционная связь между суммарной солнечной радиацией и продолжительностью солнечного сияния. Анализ полученных результатов показывает на тесную связь. Для оценочных расчетов были использованы усредненные значения a, b, S в целом для Челябинской области (см.табл.1).

Суммарная солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность в течение месяца, может быть определена как

(2)

где Нмес - суммарная солнечная радиация, поступающая в течение месяца, МДж/м2; Н - то же в течение суток данного месяца (определяется по формуле 1), МДж/м2; n - число дней в месяце; P(s) - обеспеченность (вероятность) солнечного сияния в данном месяце.

Таблица 1

Значения коэффициентов a, b и величин S, S0

для Челябинской области

Величины

Месяц

январь

февраль

март

апрель

май

июнь

июль

август

сентябрь

октябрь

ноябрь

декабрь

a

0.25

0.33

0.39

0.27

0.19

0.21

0.25

0.21

0.14

0.23

0.22

0.25

b

0.62

0.50

0.38

0.47

0.57

0.55

0.46

0.53

0.68

0.60

0.73

0.59

S, ч

2.5

4.5

6

7.5

9

10

9.5

8.5

6

3.5

2.5

2.0

S0, ч

8

10

12

14

16

16

16

14

12

10

8

8

Суммарную солнечную радиацию, поступающую на горизонтальную поверхность в течение сезона или года, можно определить простым суммированием значений Нмес.

Для определения энергии, полученной непосредственно потребителем, можно воспользоваться формулой

Нпол = Н1× R× h , (3)

где Нпол - полезная энергия, полученная потребителем от солнца; Н1- суммарная солнечная энергия за определенный период (день, месяц, сезон, год); R - коэффициент пропорциональности между солнечной энергией, поступающей на горизонтальную и наклонную поверхности. Его величина зависит от установки (расположения и угла наклона) приемника солнечной энергии; h - суммарный к.п.д. солнечной установки.

Челябинскую область нельзя рассматривать как однородную с точки зрения поступления солнечной энергии на единицу горизонтальной поверхности. Различие между солнечной энергией, поступающей на горизонтальную поверхность, в северных и южных районах области колеблется в летние месяцы на 15%, а в зимние - до 50%.

Различие между величинами солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность за год, для метеостанций Верхнее Дуброво и Рудный превышает 15%.

На основании вышеизложенного сделана попытка разделить Челябинскую область на ряд районов по величине суммарной годовой солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность. Величина солнечной энергии рассчитывалась по вышеприведенным формулам. Значение действительной продолжительности солнечного сияния принималось на основании многолетних наблюдений метеостанций области. Для упрощения дальнейших расчетов величина солнечной энергии рассчитывалась в кВт× ч.

На рис.1 представлены полученные результаты. Нанесенные на карту Челябинской области линии соответствуют постоянной величине суммарной годовой солнечной энергии. По географическому положению основная величина солнечной энергии поступает в летние и весенне-осенние месяцы. Так, по данным метеостанции г.Челябинска, около 80% солнечной энергии приходится на апрель-сентябрь и только 20% - на декабрь-март. Причем из всей солнечной энергии, поступившей за декабрь-март, около 40% приходится на март. Подобная картина наблюдается и для других регионов области. Следовательно, должна существовать корреляция между величиной суммарной годовой солнечной энергии и количеством полученной теплоты. Количество теплоты, в свою очередь можно оценить через значение температуры, например, через суммы годовых положительных (t > 0oC) температур.

Анализ сумм положительных температур за 20…25-летний срок наблюдений позволил построить зависимость среднего значения данной величины по районам Челябинской области. Сравнивая полученные результаты, можно отметить подобный характер расположения эквипотенциальных линий, а также одинаковый размах варьирования (16% для сумм положительных температур и 17% для суммарной годовой солнечной энергии), что является косвенным подтверждением правильности выбранной методики.

Предлагаемая методика позволяет рассчитать величину полезной солнечной энергии, полученной в любом месяце года, для любого района Челябинской области.

Основными источниками исходной информации для расчета кадастровых характеристик ветра являются наблюдения за скоростью ветра на опорной сети гидрометеослужбы. При обработке и систематизации данных о средних скоростях ветра, выявлении изменений, происходящих как во внутригодовом, так и в многолетнем разрезе, неизбежно возникает вопрос о длительности ряда многолетних наблюдений, необходимых для получения достоверных результатов. В основу исследований положен ряд наблюдений длительностью 10 лет. Результаты статистических характеристик скорости ветра (среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации) оцениваются с удовлетворительной точностью [ 8] .

Проведенный литературный анализ позволил сделать вывод, что для определения средней многолетней скорости ветра и выявления возможных вариаций среднегодовой скорости от года к году можно ограничиться 10-летним рядом наблюдений.

 

Рис. 1. Значения суммарной годовой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную

поверхность, для различных районов Челябинской области

 

 

 

 

При разработке ветроэнергетического кадастра проблемной является задача отыскания закона распределения скорости ветра, удовлетворительно описывающего распределение исследуемого признака в тех или иных физико-географических условиях в пределах точности исходных данных.

Для выравнивания плотности распределения скорости ветра в Челябинской области в [ 9] использованы кривые распределения Пирсона.

Оценкой потенциальных ветроэнергоресурсов служит мощность ветрового потока, протекающего в единицу времени через поперечное сечение площадью S в одном квадратном метре при определенной скорости ветра v (м/с) и плотности воздуха r (кг/м3)

Дж/с. (4)

Удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения

Дж/с× м2. (5)

Среднемесячная (сезонная, годовая) удельная энергия ветра Wуд - это энергия, протекающая за месяц (сезон, год) через поперечное сечение площадью в один квадратный метр, которая зависит от плотности распределения скорости ветра:

Дж/м2, (6)

где Т - число часов, за которое определяется удельная энергия ветра; Т=720 ч - удельная энергия за месяц; Т=2160 ч - удельная энергия за сезон; Т=8760 ч - удельная энергия за год; - дифференциальная повторяемость скорости ветра по градациям.

Используя (6) и заменяя операцию интегрирования суммированием получим:

, Дж/м2. (7)

В зависимости от параметра Т определяется удельная выработка энергии за месяц, сезон, год.

Для наглядного представления о ветроэнергоресурсах области проведено районирование территории. Исходным параметром служила средняя годовая многолетняя скорость ветра, приведенная к условиям открытой местности на плоских или выпуклых формах рельефа (класс открытости по В.Ю.Милевскому от 6 б и выше) на высоте 10 метров от поверхности земли.

Проведенный анализ позволил территорию области разделить на четыре зоны (четыре района со значимыми различиями ветровых нагрузок), внутри которых размах варьирования по среднему значению составил 1 м/с.

К первой ветровой зоне относятся горные районы, а точнее, открытые вершины хребтов, поветренные склоны, где средние многолетние скорости ветра больше 4 м/с. Рельеф района в предгорьях и горах очень разнообразный, что обусловливает большую изменчивость скорости ветра на близких расстояниях; изменение направления ветра особенно заметно в долинах. Благодаря местной циркуляции здесь возникают горно-долинные ветры. Перспективными для размещения ВЭУ являются участки с абсолютной высотой 1000…1200 м. Как показали расчеты, этот район располагает большими потенциальными ветроэнергетическими ресурсами (около 28597 МДж/м2 за год). Так как ветроагрегаты используют не весь потенциал энергии ветра, то важно знать утилизуемые ветроэнергетические ресурсы. Для этого была определена полезная утилизуемая энергия с учетом коэффициента преобразования энергии ветра и к.п.д. установок.

Ко второй зоне относятся районы, расположенные в степной части Челябинской области, где среднегодовые скорости варьируют в интервале от 4 до 3 м/с. Максимум среднегодовой скорости ветра в этой зоне не имеет характерной выраженности, хотя происходит некоторое возрастание скоростей в зимний период, а минимум наступает летом. Суточный ход скоростей ветра характеризуется усилением в дневные часы. Среднемесячная скорость ветра является относительно стабильной и изменяется, как правило, в пределах 3,4…4 м/с. В то же время повторяемость различных градаций скоростей в разные месяцы года отклоняется от средних расчетных на основании результатов наблюдений за 10 лет на весьма большую величину, что может существенно влиять на суммарную выработку энергии ветроагрегатом. Потенциальные ресурсы в данной зоне составляют 3600 МДж/м2 за год, а полезная энергия - 1260 МДж/м2.

К третьей ветровой зоне относятся районы, расположенные в лесостепной зоне и, частично, в горно-лесной зоне. Здесь среднегодовые скорости изменяются от 3 до 2 м/с. Максимум среднегодовой скорости ветра, как и во второй зоне, не имеет характерной выраженности. Суточный ход скоростей ветра здесь также усиливается в дневные часы, а вот потенциальные ветроэнергетические ресурсы снижаются в два раза по сравнению со второй зоной и составляют 1840 МДж/м2 за год. Эта зона является малоперспективной для использования энергии ветра быстроходными ВЭУ. Здесь могут найти применение только тихоходные ветромеханические установки. Полезная утилизуемая энергия может составить 644 МДж/м2 в год.

К четвертой зоне относятся районы, расположенные "внутри" Уральских гор. Среднегодовые скорости не превышают 2 м/с. Эта зона неперспективна для ветроэнергетики.

Челябинская область, являясь водоразделом трех бассейнов (р. Камы, р. Тобола, р. Урала), на 98% представлена малыми реками, к которым отнесены равнинные реки мощностью до 2 тыс. кВт и горные с мощностью 1.7 тыс. кВт. Гидроэнергетические ресурсы малых рек области ранее не определялись.

Оценка гидроэнергетического потенциала малых рек области и его распределения по территории затруднено ограниченностью объема данных о стоке по времени и в пространстве. На реках области в настоящее время существует 24 гидрологических поста, причем они сосредоточены в основном на средних реках, что не позволяет определить энергопотенциал малых рек методом “линейного учета” [10].

В настоящее время наиболее распространенный метод определения многолетних параметров гидрологического режима при проектировании - это метод “изолиний’’. Недостаток этого метода в том, что при построении карт изолиний использовались данные по крупным и средним рекам, что приводит к завышению, например, среднемноголетнего модуля стока малой реки в 3 - 5 раз. Поэтому напрашивается идея дифференцирования всего региона (например, Челябинской области) по каким-либо признакам на ряд районов, с целью обобщения и интерполяции изучаемых гидрологических величин на весь район [11].

В гидрологии районирование обычно осуществляется на основании совокупной оценки распределения по территории рассматриваемой гидрологической характеристики и факторов ее определяющих.

Под однородным гидроэнергетическим районом понимается такой район, внутри которого статистические характеристики () совокупностей рассматриваемого элемента принадлежат к одной и той же генеральной совокупности.

На первом этапе гидроэнергетического районирования области ориентировочно однородные районы выделялись исходя из природных условий. В каждом выделенном районе равномерно по территории брались гидростворы, имеющие ряд наблюдений не менее 10 лет. По выбранным рядам подсчитывались попарно непараметрические критерии средних и дисперсий. Первый подсчет дает возможность выделить новые районы и уточнить границы подтвержденных на однородность районов. В пределах окончательно выбранных районов проводится повторное вычисление непараметрических критериев по вышеизложенной иерархической процедуре.

В результате проведенных исследований однородности средних многолетних характеристик стока малых рек, входящих в расчет валового гидроэнергетического потенциала, на территории области выделено семь энергетических районов и один подрайон.

Основным условием возможности конструирования генеральной совокупности является статистическая однородность рядов наблюдений, под которой понимается их принадлежность к одной и той же генеральной совокупности, т.е. требование того, чтобы истинные, или генеральные, статистические параметры (, и т.д.) для всех рассматриваемых рядов наблюдений были одинаковыми.

Гидроэнергетическое районирование области позволяет в каждом выделенном однородном районе конструировать из нескольких временных рядов наблюдений одну генеральную совокупность - интегральную кривую распределения вероятностей (кривую обеспеченности). Обобщенная кривая обеспеченности увеличивает точность и надежность расчетных характеристик, поскольку для нашей области ряды наблюдений, за редким исключением, составляют не более трех десятков лет.

При расчетах каждая река делилась на ряд участков и для каждого участка определялась мощность реки по формуле

P = 4.91× (QН+QК)× H, (8)

где P - мощность потока, кВт; QН и QК - расходы воды в реке соответственно в начале и в конце расчетного участка, м3/c; H- падение реки на участке, м.

Вычисления проводятся по реке без притоков путем суммирования мощности по отдельным участкам - от истока до устья. Отдельно подсчитывается мощность притоков.

Потенциальные запасы гидроэнергии определяются, исходя из 8760 часов использования потенциальной мощности по формуле

W = 42950× (QН+QК)× H. (9)

Границы расчетных участков устанавливаются в точках перелома профиля реки или в местах резкого нарастания приточности реки, т.е. у устья притока. За начальный створ при составлении продольного профиля реки принимают исток.

Для рек Челябинской области большое значение имеет разделение на участки в верховьях, где наблюдаются значительные падения при малых расходах, т.к. свое начало многие реки берут с хребтов Уральских гор.

Удельная насыщенность гидроэнергетическими ресурсами определенной обеспеченности каждого района определялась по формуле, полученной путем преобразования общеизвестных формул

Pp%=0,0049× MP%× D H, (10)

где PP%- удельная насыщенность р%-й обеспеченности, кВт/км2; МР%- модуль стока р%-й обеспеченности изучаемого района, л/c× км2; D Н- падение высоты рельефа в пределах “среднего водосбора”, м.

Соответственно, исходя из 8760 часов использования мощности, удельные потенциальные запасы гидроэнергии определяются как

WР%= 85.94 × МР%× D Н, (11)

где WР%- потенциальные запасы гидроэнергии, кВт ч/км2.

Согласно формулам (10) и (11) проведены расчеты удельной мощности для всех гидроэнергетических районов области. Расчеты сведены в табл.2.

Основным методом оценки экономической эффективности использования гелио-, ветроэнергетических установок микро- и миниГЭС является метод сравнительной эффективности. По этому методу сопоставляются затраты, связанные с сооружением и последующей эксплуатацией рассматриваемого энергетического объекта, с аналогичными затратами по альтернативному проекту, обеспечивающему такой же энергетический эффект.

Обобщающей экономической характеристикой и варианта строительства установки, использующей нетрадиционный возобновляемый источник энергии (УНВИЭ), и альтернативного решения в соответствии с типовой методикой эффективности капитальных вложений являются приведенные затраты.

Таблица 2

Удельная мощность малых рек Челябинской области различной обеспеченности

Номер

Единицы уд.

Обеспеченность, %

района

мощности

5

25

50

75

95

1

кВт/км2

кВт× ч/км2

0.62

5480

0.33

2910

0.19

1680

0.10

885

0.03

258

2

кВт/км2

кВт × ч/км2

11.4

99590

6.98

61150

4.69

41060

3.00

26210

1.40

12230

3

кВт/км2

кВт× ч/км2

2.33

20410

1.24

10860

0.72

6310

0.38

3330

0.12

1050

4

кВт/км2

кВт × ч/км2

1.58

1380

1.04

9110

0.75

6570

0.52

4560

0.28

2450

5

кВт/км2

кВт × ч/км2

10.5

91980

8.19

71740

6.51

57030

4.93

43190

2.55

22340

6а

кВт/км2

кВт× ч/км2

24.9

218100

17.5

153300

13.6

119100

10.1

88480

6.45

56500

6б

кВт/км2

кВт× ч/км2

46.9

410900

36.3

318000

29.8

261000

24.0

210200

16.8

147200

7

кВт/км2

кВт× ч/км2

19.2

168600

14.7

129200

12.2

106900

9.80

85850

7.06

61850

 

Альтернативным вариантом для УНВИЭ может служить, например, ТЭЦ. Приведенные затраты для теплоэлектроцентрали можно определить как

З1= ЕнК1+ И1+ С1В1, руб/год, (12)

где К1- единовременные капитальные вложения, руб.; И1 - годовые эксплуатационные издержки, руб/год; Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год; С1 - стоимость используемого топлива, руб/т; В1 - годовой расход топлива, т/год.

Годовой расход топлива можно определить через количество вырабатываемой электроэнергии (W1, кВт× ч) и удельного расхода топлива на один кВт× ч (b , т/ кВт× ч). После преобразования (12) можно записать:

З1= ЕнК1+ И1+ С1b W1, руб/год. (13)

При строительстве в рассматриваемом районе УНВИЭ потребитель будет получать от нее часть электроэнергии (W2), а недостающее количество (W1-W2) - от ТЭЦ. Приведенные затраты (З2) в этом случае

З2= ЕнК1+ И1+ С1b (W1-W2 )+

+ ЕнК2+ И2, руб/год, (14)

где К2 и И2 - капитальные затраты (руб.) и суммарные годовые издержки (руб/год) на УНВИЭ.

В зависимости (14) при более точных подсчетах необходимо учесть снижение потерь электроэнергии в системе при уменьшении передачи через нее электроэнергии на величину W2. Однако погрешность в данном случае будет невелика, так как определенные потери электроэнергии будут и в случае питания потребителя от УНВИЭ.

Электроснабжение потребителя от УНВИЭ будет целесообразно, если будет выполняться условие

З1 = З2 (15)

или

ЕнК1+ И1+ С1b W1 =

= ЕнК1+ И1+ С1b (W1-W2 )+ ЕнК2+ И2. (16)

После преобразования равенство (16) принимает вид

С1b W2 = ЕнК2+ И2. (17)

Выражение (17) показывает, что применение УНВИЭ экономически целесообразно, если годовые приведенные затраты на нее будут равны стоимости вытесняемого топлива на ТЭЦ.

Суммарные годовые издержки (И2) можно определить как

(18)

где Еi - нормы отчисления на амортизацию, текущий ремонт и т.п.

Для УНВИЭ величину Ен можно принять равной 0,12, величину å Еi - равной 0,06.

Рассмотрим эффективность использования солнечной энергии в двух вариантах:

Для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую служат солнечные батареи. Значения к.п.д. этих батарей в промышленных установках может достигать 0,15. Тогда выражение (17) можно преобразовать:

(19)

где h сб - к.п.д. солнечной батареи; W2 - годовая суммарная поступающая солнечная энергия, кВт× ч/м2; С1 - стоимость Челябинского угля; принималась равной 253,6 руб/т; b - для станций системы Челябэнерго принималась равной 335 г у.т./кВт× ч; Куд - удельная стоимость одного м2 солнечного коллектора, соответствующая условию (15).

По выражению (19) получено семейство кривых (рис.2), связывающих стоимость топлива и предельное значение 1 м2 солнечной батареи, при котором ее использование целесообразно в данном районе. Анализ этого рисунка показывает, что даже при стоимости топлива в пределах 60…100 дол.США/т у.т. предельное значение стоимости солнечной батареи не превышает 30…40 дол.США/м2. Даже по самым оптимистическим прогнозам в ближайшее десятилетие таких показателей достичь не удастся. Следовательно, в Челябинской области в настоящее время использование солнечных батарей по экономическим соображениям нецелесообразно. В рамках данной работы не рассматривается ситуация с ограничениями (добычи, поставки и т.п.) органического топлива и экологическая составляющая экономического эффекта при использовании солнечных батарей.

При получении тепловой энергии с помощью солнечных коллекторов экономический эффект следует искать в сопоставлении двух вариантов. В одном из них теплоснабжение осуществляется от котельной, во втором - от солнечных коллекторов и котельной. Расчет в данном случае можно вести по аналогии с (14), имея в виду, что к.п.д. солнечных коллекторов составляет около 50%: а к.п.д. котельной на твердом топливе - около 65%. Результаты данных расчетов приведены на рис.3. Минимальная стоимость солнечных коллекторов составляет около 70 дол. США/м2. Приняв эту величину за расчетную, определим предельное значение стоимости органического топлива, при котором для данного района экономически целесообразно использование энергии солнца для производства тепловой энергии. Расчеты показывают, что применение солнечной энергии для тепловых целей экономически оправдано при стоимости органического топлива (руб/т):

для 1 района - не ниже 251; для 2 района - не ниже 262; для 3 района - не ниже 274;

для 4 района - не ниже 287; для 5 района - не ниже 301.

Для расчета технико-экономической эффективности использования ветроэнергетических установок в Челябинской области используем выражение (17) в виде

С1b W2 = К2(Ен+ å Еi), (20)

где С1 - стоимость органического топлива, руб/т у.т.; b - расход органического топлива на производство 1 кВт× ч по электростанциям Челябэнерго, г у.т. (кВт× ч); W2 - количество электроэнергии, вырабатываемое ветроэнер-

Рис.2. Оценка экономической целесообразности использования солнечных батарей (выработка

электрической энергии) для различных районов Челябинской области

 

Рис. 3. Оценка экономической целесообразности использования солнечных коллекторов

(выработка тепловой энергии) для различных районов Челябинской области

гетической установкой за год, кВт× ч; К2 - капитальные вложения на ветроэнергетическую установку, руб.; Ен - нормативный коэффициент эффективности; å Еi - нормы отчисления на амортизацию, текущий ремонт и т.п.

Выражение (20) преобразуем, поделив левую и правую части на величину номинальной мощности генератора ветроэнергетической мощности (Рн):

(21)

Из выражения (21) можно получить удельную стоимость одного кВт, которая будет экономически оправдана, т.е. количество сэкономленного топлива на электростанции будет по стоимости больше, чем затраты на ветроэнергетическую установку:

руб/кВт. (22)

Для всех четырех предлагаемых по интенсивности ветровой нагрузки районов (зон) Челябинской области были рассчитаны значения Куд в зависимости от стоимости органического топлива. Количество вырабатываемой энергии определялось для ветроэнергетической установки типа АВЭУ-6-4 м. В расчетах значения b принимались равными 335 г у.т./кВт× ч, а значение (Ен+ å Еi)=0,18. Результаты расчетов приведены на рис.4.

Рис. 4. Оценка экономической целесообразности использования ВЭУ для различных районов

Челябинской области

Из полученного рисунка можно сделать следующие выводы.

1. В США к 2000…2002 году планируется создание ВЭУ удельной стоимостью от 600 дол. США/кВт, в Германии в настоящее время [ 13] удельная стоимость ВЭУ составляет от 1500 марок/кВт (» 800 дол. США/кВт). Следовательно, в первом районе (зоне) Челябинской области использование ВЭУ экономически оправдано, даже в сравнении с использованием электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, при стоимости органического топлива от 50 дол.США/т у.т. С учетом неучтенных затрат на распределение электрической энергии использование ВЭУ в первом районе (зоне) будет весьма эффективно для питания удаленных потребителей.

2. Использование ВЭУ в четвертом районе (зоне), даже при стоимости органического топлива свыше 100 дол.США/т у.т., экономически нецелесообразно.

3. Использование энергии ветра для производства электрической энергии во втором и третьем районах (зонах) на первый взгляд экономически нецелесообразно. Однако окончательный вывод (особенно по второму району) можно сделать только из сопоставления затрат на ВЭУ и суммы замыкающих затрат при питании традиционными способами каждого потребителя.

4. Кроме непосредственной выработки электрической энергии ветер можно использовать в установках, преобразующих энергию ветра в механическую энергию, например, в водонасосных установках. В России удельная стоимость подобных ветроагрегатов составляет 600…1000 руб/кВт. При такой стоимости во втором районе использование энергии ветра, преобразованной в механическую, экономически целесообразно при стоимости органического топлива от 140…240 руб/т у.т., а в третьем районе - при стоимости органического топлива от 250…425 руб/т у.т. При сложившихся ценах на органическое топливо использование ветроагрегатов (механическое преобразование энергии ветра) в первом и втором районах следует всячески поощрять, а в третьем районе следует проводить расчеты в каждом конкретном случае.

Для оценки технико-экономической эффективности использования энергии малых рек воспользуемся выражением (17) в виде

С1b W 2 = ЕнК2 + И2. (23)

Количество выработанной электроэнергии (W2) можно выразить через установленную мощность (Руст) и время её использования (t)

W 2 = Руст× t. (24)

C учетом (123) и (124) выражение (122) примет вид

С1b Рустt = (Ен+)К2, (25)

тогда экономически целесообразные удельные капиталовложения на сооружения малых ГЭС будут равны

Куд= . (26)

Для гидроэнергетических объектов нормативный коэффициент эффективности принимается равным 0.12. При большом влиянии их на развитие экономики района коэффициент может быть снижен до 0.08. Сумма ежегодных отчислений для МГЭС по применяемым в настоящее время нормам принимается в пределах 2…6% от капитальных затрат. В расчете по формуле (26) принята стоимость челябинского угля для использования С1= 384.5 руб. и стоимость газа С1= 253.6 руб. за тонну условного топлива, а значение b = 335 г у.т./кВт× ч.

Для сравнения в экономическом отношении всех гидроэнергетических районов области за косвенный показатель установленной мощности при прочих равных условиях (площади водосбора, напора) принят модуль стока (М, л/c× км2). Обеспеченный модуль стока определялся для среднего по водности года (Р= 50%). Для определения времени использования одной и той же мощности в условиях различных гидроэнергетических районов области использовались кривые распределения среднемесячных модулей стока по районам.

Исходя из вышеизложенного, для всей области по формуле (26) построены зависимости экономически целесообразных капиталовложений в сооружение малых ГЭС от стоимости органического топлива для М= 2, 4 и 6 л/c× км2, что соответствует для усредненных условий Руст=60, 120 и 180 кВт.

Разработанная методика позволяет оценить экономическую целесообразность возведения малых ГЭС при существующих ценах на органическое топливо для любого гидроэнергетического района области с учетом установленной мощности гидроэнергетической установки, а также при фиксированной стоимости топлива по мощности установки определить пределы эффективных капиталовложений (рис. 5).

С помощью этой методики можно решить и обратную задачу - по проектным удельным показателям энергетической установки определить, при какой стоимости органического топлива экономически целесообразно её строительство.

 

 

Рис. 5. Оценка экономической целесообразности использования энергии малых рек (сооружение

микроГЭС) для различных районов Челябинской области

а) М=2 л/с· км2; б) М=4 л/с· км2; в) М=6 л/с· км2

 

 

Из приведенных расчетов можно сделать вывод, что первый гидроэнергетический район представляет интерес только для микроэнергетики., а также близок к этому критерию третий и четвертый районы (при средних характеристиках водосбора). Тогда как в пятом шестом и седьмом районах при средних характеристиках водосбора возможны экономически целесообразные варианты использования как микро- так и миниГЭС.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mehr Alternativ-Energien? // Fakten. 1993. 26. N 9.

2. Napenergia-hasznositas Ausitriaban / Schmidt Janos // Musi. gaid. mag. 1992.4. siept.

3. Solar energy utilization on the verge of market introduction-facts and figures / Rasch W., Sinchez F., Winter C.-J. // 15 th Congr. Worjd Energy Counc, Madrid, Sept., 20-25, 1992. Div. 3. Pt. 1. [Madrid], 1992.

4. Wind power potential of the CECD countries // Windirections. 1994. 13. № 4.

5. L energia edica a fine 1993 / Ferrari G. // Energ, alterntve: Habitat, territ., energ. 1994. 16. N 90.

6. Иванченко И.П. Автономные гидроэнергетические установки малой мощности (микроГЭС). М., 1993.

7. Саплин Л.А., Шерьязов С.К. Математическая модель оценки солнечной радиации как источника энергии //Тр.ЧИМЭСХ. - Челябинск, 1988.

8. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Высшая школа,1988.

9. Саплин Л.А., Орлов В.Л. Уточненная методика оценки эмпирических характеристик с помощью кривых распределения Пирсона для Южного Урала // Тр. ЧИМЭСХ, 1990.

10. Энергетические ресурсы СССР. Гидроэнергетические ресурсы. /Под ред. Вознесенского А.Н. - М.: Наука, 1967.

11. Пташкина-Гирина О.С., Саплин Л.А. Оценка пространственной однородности гидрологических характеристик малых рек Челябинской области (гидроэнергетическое районирование). Челябинск, Вестник ЧГАУ, 1996. Т.16.

12. Алексеев Г.А. Объективные методы выравнивания и нормализации корреляционных связей. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.- 363 с.

13 .Windkraft-fnlagen-Mittelkasse: Marktubersicht // Sonnentntrg. und Warmetechn. - 1995. - № 3.