alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.01-06.031-039alternative-1879Research ArticleI. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2. ВетроэнергетикаI. RENEWABLE ENERGY. 2. Wind energyОбоснование мощности ветроэнергетической установки при совместной работе с малой ТЭЦSubstantiation of the Capacity of the Wind-Driven Power Plant with a Small Combined Heat and Power PlantНиколаевЮ. Е.NikolaevYu. E.

Юрий Евгеньевич Николаев,  доктор технических наук, профессор кафедры ТАЭ им. А.И. Андрющенко СГТУ им. Ю.А. Гагарина.  

Spin код: 5062-0254

Scopus Author ID: 5707815 

д. 77, ул. Политехническая, Саратов, 410054

Yuri Nikolaev, D.Sc. in Engineering, Professor at the Chair of Thermal and Atomic Energy 

Spin код: 5062-0254 S

Scopus Author ID: 5707815

77 Polytehnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russia

ИгнатовВ. Ю.IgnatovV. Yu.

Владимир Юрьевич Игнатов, аспирант кафедры ТАЭ им А.И. Андрющенко

Spin код: 8793-3400 

Scopus Author ID: 57500720736

д. 77, ул. Политехническая, Саратов, 410054

Vladimir Ignatov, Postgraduate, the Chair of Thermal and Atomic Energy

Spin код: 8793-3400 

Scopus Author ID: 57500720736

77 Polytehnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russia

v_ignatov@bk.ruФединаА. А.FedinaA. A.

Анастасия Александровна Федина, магистрант 2 курса кафедры ТАЭ им. А.И. Андрющенко 

д. 77, ул. Политехническая, Саратов, 410054

Anastasiia Fedina,  MSc, the Chair of Thermal and Atomic Energy

77 Polytehnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russia

Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. ГагаринаРоссияYuri Gagarin State Technical University of SaratovRussian Federation20201203202001-63139Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20202020Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1879

Рассматривался вопрос выбора электрической мощности ветроэнергетической установки (ВЭУ) при совместной работе с газотурбинной установкой (ГТУ). Анализировалась проблема повышения эффективности энергоснабжения небольших городов путем создания комбинированных источников на базе малых теплоэлектроценталей (ТЭЦ) и ВЭУ.

Предложена схема комбинированного источника, которая включает в себя установку, работающую на органическом топливе, и установку, работающую за счет возобновляемого источника энергии – ветра. Для определения эффективности источника была разработана математическая модель, с помощью которой рассчитывались количественные и экономические показатели. В качестве исходных данных выступали: суточный график электрических нагрузок; график тепловых нагрузок отопления, вентиляции и ГВС; среднемесячные температура и скорость ветра; зависимость изменения электрической мощности ВЭУ от скорости ветра. На основе данной математической модели был произведен расчет комбинированного источника (ГТУ мощностью 2,5 МВт и ВЭУ мощностью 100 кВт). Годовая выработка электроэнергии на ГТУ составила 26 717,703 МВт·ч/год, на ВЭУ – 92,917 МВт·ч/год. Кроме того, определены экономические показатели: чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности, внутренняя норма доходности и срок окупаемости.

Произведен сравнительный анализ срока окупаемости предложенной схемы в зависимости от изменения установленной мощности ВЭУ от 100 кВт до 1 500 кВт. В ходе анализа полученных значений ЧДД и срока окупаемости был сделан вывод о том, что по мере увеличения мощности ВЭУ экономическая эффективность энергокомплекса снижается. Это связано с увеличением капиталовложений в ВЭУ, изменением стартовой скорости ВЭУ, а также снижением выработки электрической энергии за счет ВЭУ. Доказана целесообразность использования в комбинированной схеме ВЭУ мощностью 100–300 кВт, при этом срок окупаемости составит около 10 лет.

The paper deals with the issue of choosing the electric power of a wind-driven power plant (WDPP) when working together with a gas turbine unit (GTU). The paper touches upon the problem of improving the efficiency of energy supply to towns by creating combined sources based on small CHPP and wind turbines.

The authors have proposed a scheme of the combined source, which includes the installation operating on organic fuel and the installation operating at the expense on a renewable energy source – wind. In order to determine the effectiveness of the source, we have developed a mathematical model which helps to calculate the quantitative and economic indicators. The initial data used are: the daily graph of electrical loads; the graph of thermal loads of heating, ventilation and hot water; the average monthly temperature and wind speed; the dependence of changes in the electrical power of wind turbines on wind speed. According to this mathematical model, the combined source is calculated (GTU with a capacity of 2.5 MW and wind turbines with a capacity of 100 kW). Annual electric-power generation at gas turbines is 26717,703 MW·h / year, wind turbines – 92,917 MW·h / year. Economic indicators are also defined – net present value (NPV), discounted profitability index, internal rate of return and payback time.

The paper makes a comparative analysis of the payback period of the proposed scheme depending on the change in the installed capacity of wind turbines from 100 to 1500 kW. Analyzing the obtained values of NVP and the payback time, it can be concluded that as the power of wind turbines increases, the economic efficiency of the energy complex decreases. This is due to increased investment in wind turbines, a change in the starting speed of a wind power plant, as well as a decrease in electrical energy production due to wind turbines. The conclusion is made about the expediency of using in the combined scheme of a wind-driven power-plant with a capacity of 100–300 kW, with a payback time of about 10 years.

ветроэнергетическая установка (ВЭУ)малая ТЭЦгазотурбинная установка (ГТУ)интегрирование ВЭУ и ГТУэкономия топливаэнергия ветраматематическая модельwind-driven power plant (WDPP)small combined heat and power plantgas turbine unit (GTU)integration of WDPP and GTUfuel economywind energymathematical modelReferencesФилиппов, С.П. ТЭЦ в России: необходимость технологического обновления Текст / С. П. Филиппов, М. Д. Дильман // Теплоэнергетика. – 2018. – № 11. – С. 5–22.Filippov S.P., Dil'man M.D. CHP Plants in Russia: the Necessity for Technological Renovation (TETS v Rossii: neobkhodimost' tekhnologicheskogo obnovleniya). Thermal Engineering, 2018;65(11):775– 790; doi: 10.1134/S0040601518110022 (in Russ).Стенников, В.А. Интегрированные схемы энергоснабжения на базе ТЭЦ и ВЭС Текст / В.А. Стенников, С.В. Жарков, И.В. Постников, А.В. Пеньковский // Промышленная энергетика. – 2016. – № 11. – С. 57–62.Stennikov V.A., Zharkov S.V., Postnikov I.V., et al. Integrated power supply schemes based on CHPP and WDPP (Integrirovannye skhemy energosnabzheniya na baze TETs i VES). Promyshlennaya energetika, 2016; 11:57–62 (in Russ).Николаев, Ю.Е. Оценка экономических показателей интегрированной схемы энергоснабжения на основе малой ТЭЦ и ВИЭ Текст / Ю. Е. Николаев, В.Ю. Игнатов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 9. Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов: материалы XIV Международной научно-технической конференции. Саратов, 30 октября – 1 ноября 2018 г. – 2018. – С. 129–133.Nikolaev Yu.E., Ignatov V.Yu. Assessment of economic indicators of an integrated energy supply scheme based on a small CHP and renewable energy sources (Otsenka ekonomicheskikh pokazatelei integrirovannoi skhemy energosnabzheniya na osnove maloi TETs i VIE). XIV Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii “Sovershenstvovanie energeticheskikh sistem i teploenergeticheskikh kompleksov”, 30 Oct – 1 Nov 2018; Saratov, Russia; pp.129–133 (in Russ).Габдерахманова, Т.С. Анализ схем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии Текст / Т.С. Габдерахманова, Л.Б. Директор // Промышленная энергетика. – 2015. – № 4. – С. 48–51.Gabderakhmanova T.S., Direktor L.B. Analysis of stand-alone power supply schemes based on renewable energy sources (Analiz skhem avtonomnogo elektrosnabzheniya na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov energiirakhmanova). Promyshlennaya energetika, 2015;4:48–51 (in Russ).Дорошин, А.Н. Многофакторный анализ эффективности энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии для энергообеспечения автономного потребителя / А.Н. Дорошин, В.И. Виссарионов, Н.К. Малинин // Вестник МЭИ. – 2011. – № 2. – С. 45–53.Doroshin A.N., Vissarionov V.I., Malinin N.K. Multifactorial analysis of the efficiency of energy complexes based on renewable energy sources for energy supply of an stand-alone power supply consumer (Mnogofaktornyi analiz effektivnosti energokompleksov na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov energii dlya energoobespecheniya avtonomnogo potrebitelya). Vestnik MEI, 2011;2:45–53 (in Russ).Марченко, О.В. Анализ совместного использования энергии солнца и ветра в системах автономного энергоснабжения / О.В. Марченко, С.В. Соломин // Промышленная энергетика. – 2016. – № 9. – С. 39–43.Marchenko O.V., Solomin S.V. Analysis of the sharing of solar and wind energy in stand-alone power supply (Analiz sovmestnogo ispol'zovaniya energii solntsa i vetra v sistemakh avtonomnogo energosnabzheniya). Promyshlennaya energetika, 2016;9:39–43 (in Russ).Gangoli Rao, A., F.S.C.van den Oudenalder, Klein, S.A. Natural gas displacement by wind curtailment utilization in combined-cycle power plants Text / A. Gangoli Rao et al. // Energy. – 2019. – Vol. 168. – P. 477–491.Gangoli Rao A., van den Oudenalder F.S.C., Klein S.A. Natural gas displacement by wind curtailment utilization in combined-cycle power plants. Energy, 2019;168:477–491.Lund H, large-scale integration of wind power into different energy systems Text / H. Lund // Energy. – 2005. – Vol. 30. – P. 2402–2412.Lund H. large-scale integration of wind power into different energy systems. Energy, 2005;30:2402– 2412.Pensini, A. Economic analysis of using excess renewable electricity to displace heating fuels / A. Pensini et al. // Energy. – 2014. – Vol. 131. – P. 530–543.Pensini A., Rasmussen C.N., Kempton W. Economic analysis of using excess renewable electricity to displace heating fuels. Energy, 2014;131:530–543.Пат. № 2557049 РФ, МПК51 F01K3/22. Способ работы паротурбинной установки / Жарков С.В., Кейко А.В., Постников И.В., Пеньковский А.В.; заявители и патентообладатели Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Систем Энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской Академии Наук. – № 2012115355/06; заявл. 17.04.2017; опубл. 20.07.2015.Zharkov S.V., Keiko A.V., Postnikov I.V., Pen'kovskii A.V. Method of operation of the steam turbine plant (Sposob raboty paroturbinnoi ustanovki). Patent RF No. 2557049. 07.20.2015. Available on: https://yandex.ru/patents/doc/RU2557049C2_20150720 (02.04.2020 (in Russ).Соснина, Е.Н. Технико-экономический анализ применения ветро-дизельных электростанций для электроснабжения энергоудаленных поселений / Е.Н. Соснина и др. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2016. – Т. 112. – № 1. – С. 65–72.Sosnina E.N., Shakukho A.V., Lipuzhin I.A., et al. Technical and economic analysis of the use of winddiesel power plants for power supply of energy remote settlements (Tekhniko-ekonomicheskii analiz primeneniya vetro-dizel'nykh elektrostantsii dlya elektrosnabzheniya energoudalennykh poselenii). Trudy NGTU named after. R.E. Alekseeva, 2016;112(1):65–72 (in Russ).Денисов, Р.С. К вопросу обоснования состава и параметров оборудования ветро-дизельной электростанции / Р.С. Денисов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – Т. 151. – № 11. – С. 72–77.Denisov R.S. On the issue of substantiating the composition and parameters of wind-diesel power plant equipment (K voprosu obosnovaniya sostava i parametrov oborudovaniya vetro-dizel'noi elektrostantsii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014;151(11):72–77 (in Russ).Елистратов, В.В. Ветродизельные электростанции для автономного энергоснабжения северных территорий России / В.В. Елистратов, М. А. Конищев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – Т. 151. – № 11. – С. 62–71.Elistratov V.V., Konishchev M.A. Wind-diesel power stations for stand-alone power supply of the Northern territories of Russia (Vetrodizel'nye elektrostantsii dlya avtonomnogo energosnabzheniya severnykh territorii Rossii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014;151(11):62–71 (in Russ).Сибгатулин, А.Р. Оптимизация состава оборудования на основе возобновляемых источников энергии в системах электроснабжения автономных потребителей небольшой мощности / А.Р. Сибгатуллин, В.В. Елистратов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – № 23–24. – С. 51–67.Sibgatulin A.R., Elistratov V.V. Optimization of equipment composition based on renewable energy sources in power supply systems for stand-alone consumers of small capacity (Optimizatsiya sostava oborudovaniya na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov energii v sistemakh elektrosnabzheniya avtonomnykh potrebitelei nebol'shoi moshchnosti). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016;23–24:51–67; doi: 10.15518/isjaee.2016.23-24.051-067 (in Russ).Cao K.K. Expanding the horizons of power-toheat: cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems / K.K. Cao et al. // Energy. – 2018. – Vol. 164. – P. 925–936.Cao K.K., Nitto A.N., Sperber E., et al. Expanding the horizons of power-to-heat: cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems. Energy, 2018;164:925–936.Дерюгина, Г.В. Исследование факторов и математических моделей, влияющих на проектные показатели энергоэффективности ветродизельных комплексов / Г.В. Дерюгина и др. // Вестник КРСУ. – 2017. – № 8. – С. 44–48.Deryugina G.V., Karpov N.D., Shestopalova T.A., et al. Study of factors and mathematical models that affect the design performance of energy efficiency of wind-diesel complexes (Issledovanie faktorov i matematicheskikh modelei, vliyayushchikh na proektnye pokazateli energoeffektivnosti vetrodizel'nykh kompleksov). Vestnik KRSU, 2017;8:44–48 (in Russ).Грибков, С.В. Ветро-солнечно-дизельные комплексы электроснабжения малых мощностей как основа развития ВИЭ в России / С.В. Грибков // Возобновляемая энергетика XXI век: энергетическая и экономическая эффективность. – 2016. – С. 124–128.Gribkov S.V. Wind-solar-diesel power supply systems of small capacity as a basis for RES development in Russia (Vetro-solnechno-dizel'nye kompleksy elektrosnabzheniya malykh moshchnostei kak osnova razvitiya VIE v Rossii). Materialy mezhdunarodnogo kongressa REENCON-XXI: “Vozobnovlyaemaya energetika XXI vek: Energeticheskaya i ekonomicheskaya effektivnost'”, 13–14 October, 2016; pp. 124–128 (in Russ).Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: Справочно-методическое издание / Справочно-методическое издание / Под общей редакцией П.П. Безруких. – М.: «ИнтехэнергоИздат», «Теплоэнергетика», 2014. – 304 с.Bezrukikh P.P., Bezrukikh P.P. (ml.), Gribkov S.V. Wind power engineering: reference and methodological publication (Vetroenergetika: Spravochnometodicheskoye izdaniye). Moscow: “IntekhenergoIzdat” Publ, 2014 (in Russ).Официальный сайт NASA. Электронный ресурс. – Режим доступа: https://power.larc.nasa.gov/. – (Дата обращения: 21.02.2019).The official website of NASA E-resource. Available on: https://power.larc.nasa.gov/ (02.21.2019).Стационарные газотурбинные установки: справочник / Л.В. Арсеньев и др.. – Ленинград: «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1989. – 120 с.Stationary gas turbine plants:book of reference (Statsionarnye gazoturbinnye ustanovki: spravochnik) / L.V. Arsen'ev et al. Leningrad: “Mashinostroenie” Publ., Leningradskoe otdelenie, 1989; pp. 120.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.