ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ И ВЫБОРА КЛАССА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Тарасов Алексей Сергеевич

аспирант ТГТУ, г. Тамбов

E-mail: 

THE USE OF MATHEMATICAL MODEL OF FORMATION AND SELECTION OF CLASSES SUBSTITUTION TRADITIONAL ENERGY SOURCES IN DECENTRALIZED NETWORKS POWER

Aleksey Tarasov

Postgraduate TSTU, Tambov

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена необходимости внедрения возобновляемых источников энергии для оптимизации и удешевления децентрализованного энергоснабжения. По ходу работы была рассмотрена математическая модель формирования и выбора класса замещения традиционных источников энергии в децентрализованных сетях электроснабжения.

ABSTRACT

This research aims at a necessity of renewable energy sources implementing for the sake of optimization and cheapening of decentralized energy supply. During the research there was examined a mathematical model of formation and selection of traditional energy sources substitution class in decentralized power networks.

Ключевые слова: Топливно-энергетические ресурсы; углеродное топливо; возобновляемые источники энергии; класс замещения ресурса; электротехническая система; энергосберегающие технологии; децентрализованное энергоснабжение фотоэлектрическая установка; ветроэлектростанция; ветроэнергетическая установка.

Key words: fuel and power resources; carbon-based fuel; renewable energy sources; substitution class of resource; electrical engineering system; energy conservation methods; decentralized energy supply; photoelectric mounting; wind-driven electric power station; wind-mill.

Не секрет, что энергетика для любой страны является ключевым фактором экономики. Возрастающие с каждым годом выработка и потребление энергии создают необходимые условия для ускорения научно технического прогресса. Возрастающие объёмы потребления энергии требуют всё больших объёмов углеродного сырья (уголь, нефть, природный газ), запасы которого не безграничны. Как следствие этого, мы получаем рост цен на углеродные энергоносители, а значит и на энергию, получаемую при их сжигании.

Дефицит энергии и ограниченность топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), а также увеличение загрязнения окружающей среды, вызванные попаданием в атмосферу вредных веществ, выделяющихся при сгорании углеродного топлива, с все возрастающей остротой показывает неизбежность модернизации современного топливно-энергетического комплекса.

Выделяют два основных пути: первый — формирование новых подходов к эффективному использованию топливно-энергетических ресурсов на основе практической реализации современных энергосберегающих технологий, что является основной целью многих национальных энергетических стратегий, и второй — предполагающий увеличение доли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

По сути, использование возобновляемых источников энергии может рассматриваться как альтернативная технология в области энергетики. Технология, развивать которую необходимо вследствие того, что неизвестно, в какое время и какие ограничения могут быть наложены на традиционную углеродную и ядерную энергетику, из-за крайне негативного их влияния на окружающую среду.

Мировой опыт ряда стран, таких как Германия, США, Япония и другие, доказывает, что развитие возобновляемой энергетики при устойчивом росте стоимости ТЭР уже сегодня определяют технико-экономические преимущества электростанций использующих ВИЭ, а в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя вклад ВИЭ в мировом энергобалансе.

К примеру: по данным Европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности (European Photovoltaic Industry Association ,EPIA) в период в 2011 совокупная мощность выработанная при помощи энергии солнца в мире достигла 69 ГВт (Рис. 1.), а Согласно данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики (World Wind Energy Association, WWEA), за первое полугодие прошлого года суммарная мощность всех ветроэлектростанций составила 254 ГВт (Рис. 2).

Рисунок 1. Общая установленная мощность фотоэлектрических установок 2001—2011 г, МВт

Рисунок 2. Общая установленная мощность ветроэнергетических установок 2001—2012 г, МВт

Что касается России, то наша страна, к сожалению, имеет более чем скромные показатели роста доли возобновляемой электроэнергии и по разработке и освоению технологий использования ВИЭ существенно отстаёт от ведущих мировых лидеров. Конечно с точки зрения макроэкономических показателей, Россия с избытком обеспечена традиционными энергоресурсами. Но анализ энергобаланса показывает, что из всех добываемых в стране энергоресурсов приблизительно 67 % экспортируется за рубеж. Утвержденная Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. фактически предусматривает лишь незначительное относительное снижение экспорта энергоресурсов. Экспортная ориентация во многом обусловлена тем, что нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около 17 % российского ВВП и более 40 % доходов консолидированного бюджета [7, с. 23].

Однако, 2/3 территории страны с населением около 20 млн. человек, расположены вне системы централизованного энергоснабжения [7, с. 24]. Электроснабжение таких территорий осуществляется при помощи источников малой мощности, работа которых осуществляется за счёт привозного топлива, что существенно удорожает производство электроэнергии. Таким образом, большинство источников автономного электроснабжения регионов РФ являются убыточными, поскольку себестоимость производства электроэнергии значительно выше тарифа, который устанавливают для населения. Поэтому в районах с децентрализованным энергоснабжением существует острая необходимость совершенствования структуры топливно-энергетического баланса, уменьшая его зависимость от внешних поставок топлива, путём внедрения местных нетрадиционных источников энергии.

Безусловно, невозможно сразу и полностью отказаться от использования традиционных источников энергии, поэтому необходимо разработать модель которая могла бы облегчить и оптимизировать выбор ВИЭ, лучшим образом подходящий тому или иному региону, а также класс замещения им используемых ТЭР.

Для удобства решения задач оптимизации электротехнических систем (ЭТС), которые возникают в условиях замещения традиционных источников энергии возобновляемыми энергоресурсами, очень удобно, использовать математическую модель формирования и выбора классов замещения ресурсов (КЗР) предложенную [6, с. 46], основанную на теории нечётких множеств. Как показывает практика, в теории принятий решений описание и анализ неопределенностей с помощью теории нечетких множеств весьма плодотворны [8, с. 43].

В общем и целом все этапы ресурсов ЭТС в условиях замещения могут быть рассмотрены как последовательность реализации следующих процедур: построение графа целей и задач замещения ресурсов; формирования множества ресурсов и их свойств; формирование множества вариантов КЗР и выбор из них наиболее рационального; выбор из этого КЗР ресурс, который наиболее полно отвечает целям замещения [5, с. 48; 4, с. 46].

Рассмотрим, как будет выглядеть общая математическая модель, для интересующего нас процесса замены традиционных ТЭР на ВИЭ в децентрализованных сетях электроснабжения. Объединяя все характеристики каждого ресурса в рамках общей модели для разделения на КЗР, имеем:

— множество ресурсов ВИЭ

— множество свойств каждого энергоресурса

—класс замещения ресурсов

В результате расчётов согласно[9]получаем матрицу И:

 (1)

где:  для всех  — функция принадлежности.

Учитывая данные матрицы И, ограничиваем порог разделения условием:

Используя полученные пары разделения определяем КЗР для каждого ресурса.

Определив КЗР для каждого ресурса ВИЭ, нам нужно выбрать лучший ресурс, который лучше всего подходил для целей замещения, а именно: являлся наиболее дешёвым способом получения энергии из местных ВИЭ.

Для наиболее рационального выбора ресурса согласно [6, с. 48] существует три ситуации в зависимости от реализации альтернатив и состояния системы. Поскольку в данной ситуации можно выделить одно наиболее важное свойство ресурса, а именно экономичность производимой энергии, то выделяем ситуацию — нечеткая реализация и чёткое состояние.

Итак, необходимо задать матрицу реализаций N свойств на S ресурсов, но нужно учитывать, что реализации нечёткие, тогда соответственно с [6, с. 49] реализации для различных ресурсов можем найти в виде:

После определения нечётких реализаций альтернатив, можно найти максимальное значение реализации для данного нечёткого состояния. Максимальное значение реализации выбирается из множества:

Максимальное значение , после определяем максимизирующие множества:

, (6)

где: . Тогда можно определить оптимизирующее множество:

. (7)

Откуда, получаем нечёткое множество , которое и будет характеризовать данный ресурс.

. (8)

Выбираем из полученного множества ресурс, который имеет наибольшее значение принадлежности, это и будет самый лучший ресурс, то есть наиболее экономически выгодный ВИЭ для данного региона.

Таким образом, учитывая проблему внедрения возобновляемых источников энергии в электротехнических системах, лежащих вне зоны централизованного электроснабжения, мы убедились, что математическая модель формирования и выбора классов замещения ресурсов, очень удобна для решения задач оптимизации ЭТС. А также помогает принять технически и экономически обоснованное решение по замене традиционных источников энергии на ВИЭ в условиях необходимости трансформации, убыточного действующего на данный момент в сетях децентрализованного электроснабжения, топливно-энергетического комплекса.

Список литературы:

1.Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: сегодня — реальность, завтра — необходимость. — М.: Лесная страна, 2007. — 120 с.

2.Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография / Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова, Е.Б. Шандарова. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 231 с.

3.Возобновляемая энергетика на Северо-Западе России: Сборник докладов международного конгресса «Дни чистой энергии в Петербурге — 2010» / под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Елистратова В.В.. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. — 144 с.

4.Громов Ю.Ю. К.А. Набатов, Т.Г. Самхарадзе, А.В. Баранов, А.М. Краснов. Модели формирования и выбора классов замещения ресурсов электротехнических систем./ Инженерная физика № 6 2008 г. — 43 — 47 с.

5.Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: учеб. пособие/ В.В. Елистратов. — СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2008. — 224 с.

6.Набатов К.А., Ю.Ю. Громов, В.Ф. Калинин, Ю.С. Сербулов, В.О. Драчев Распределение ресурсов сетевых электротехнических систем. — М.: Машиностроение, 2008. — 214 с.

7.Попель О.С. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы./Энергосовет № 5 (18) 2011 г. — 22 — 26 с.

8.Прикладная статистика: учебник А.И. Орлов — М: Издательство «Экзамен», 2006. — 671 с.

9.Global market outlook for photovoltaics until 2016 [Электронный ресурс]. ― Режим доступа. — URL: http://www.epia.org/fileadmin/user_upload/Publications/Global-Market-Outlook-2016.pdf (Дата обращения: 18.02.2012).

10.The World Wind Energy Association. Half — year report 2011 [Электронный ресурс]. ― Режим доступа. — URL: http://wwindea.org/home/images/stories/publications/half_year_report_2011_wwea.pdf (Дата обращения: 17.02.2012).

11.The World Wind Energy Association. Half — year report 2012 [Электронный ресурс]. ― Режим доступа. — URL:http://www.wwindea.org/webimages/Half-year_report_2012.pdf (Дата обращения: 17.02.2012).

12.World Wind Energy Report 2010 [Электронный ресурс]. ― Режим доступа. — URL: http://www.wwindea.org/home/images/stories/pdfs/worldwindenergyreport2010_s.pdf (Дата обращения: 05.01.2012).