Научно-техническое обоснование и проектирование энергокомплексов на основе ВИЭ для сложных природно-климатических условий

  • Виктор Васильевич Елистратов
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, ветро-дизельная электростанция, интеллектуальное управление, ветроэнергетические ресурсы, энергоэкономическая эффективность, адаптация к условиям севера, модульный фундамент, цифровое проектирование

Аннотация

В статье проанализирован многолетний опыт научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ») СПбПУ Петра Великого по научно-техническому и режимному обоснованию, проектированию и конструированию гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии. Коллективом НОЦ «ВИЭ» под руководством автора разработана иерархически соподчиненная, функционально объединенная методология оптимального параметрического и режимного обоснования параметров систем электроснабжения изолированных потребителей для северных и арктических территорий, преобразующего, аккумулирующего оборудования, систем управления энергокомплексов средней мощности. Разработанная методология направлена на использование в системах электроснабжения органических и возобновляемых источников энергии на основе системной эффективности и максимизации замещения органического топлива. Детально рассмотрены и учтены особенности оценки и прогнозирования возобновляемых энергоресурсов в месте размещения энергокомплексов в условиях ограниченной метеорологической и природно-климатической информации, предложены и обоснованы принципы проектирования и строительства ветроэнергетических установок с учетом мероприятий по адаптации к арктическим условиям, транспортно-логистических проблем доставки и монтажа оборудования. Разработана методика оценки эффективности и инвестиционной привлекательности проектов энергокомплексов на основе системных эффектов и комплексных критериев с учетом правового и экономического окружения районов строительства.

Биография автора

Виктор Васильевич Елистратов

доктор техн. наук, профессор, профессор Высшей школы гидротехнического и энергетического строительства, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), директор научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ»),  Санкт-Петербург, Россия

Литература

1. Elistratov V., Denisov R., Konishchev M. Reducing the Arctic Carbon Footprint through Low-Carbon Technologies and Wind Power Plants. – The 2nd International Scientific Conference «Ecosystems without Borders–2021», 2022, 2636, 050004, DOI: 10.1063/5.0104405.
2. Елистратов В.В. Энергоснабжение в Арктике с использованием ВИЭ. – Neftegas.Ru, 2023, № 1(133), с. 74–79.
3. Елистратов В.В. Развитие энергоснабжения поселений в Арктических регионах с использованием возобновляемых источников энергии. – В кн. Арктическое пространство России в XXI веке: факторы развития, организация управления. СПб.: ООО Издательский дом «Наука», 2016, с. 936–952.
4. Елистратов В.В., Кудряшева И.Г. Режимы работы установок и энергокомплексов на основе возобновляемых видов энергии. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2021, 157 с.
5. Elistratov V. Energy Supply of Autonomous Territories Based on Renewable Energy Sources. – 7th International Conference on Energy Efficiency and Agricultural Engineering, 2020, DOI:10.1109/EEAE49144.2020.9279083.
6. Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. СПб.: Изд-во политехнического ун-та, 2016, 424 с.
7. Дюльдин М.В., Елистратов В.В. Оценка ветроэнергетических ресурсов в условиях ограниченной природно-климатической информации. – Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2017, вып. 1(64), с. 227–233.
8. Elistratov V.V., Bogun I.V., Kasina V.I. Development of a Geoinformation System for the Design of Wind Power Facilities in the Russian Arctic Conditions. – 4th International Scientific Conference “Arctic: History and Modernity”, 2019, vol. 302 (1), DOI:10.1088/1755-1315/302/1/012064.
9. Елистратов В.В. и др. Использование ГИС-технологий при проектировании ВДЭС в северных условиях. – Сантехника, отопление, кондиционирование, 2021, № 10, с. 66–71.
10. Елистратов В.В., Панфилов А.А. Особенности проектирования фундаментов ветроэнергетических установок в условиях вечной мерзлоты. – Полярная механика, 2016, № 3, с. 599–609.
11. Saha S. et al. The NCEP Climate Forecast System Reanalysis. – Bulletin of the American Meteorological Society, 2010, 91(8), pp. 1015–1057, DOI:10.1175/2010BAMS3001.1.
12. WAsP CFD in WindPRO. Energy calculations with CFD [Электрон. ресурс], URL: http://www.emd.dk/files/windpro2.9/WindPRO_and_WAsPCFD.pdf (дата обращения 01.07.2023).
13. Мыльников Д.Ю. Геоинформационные платформы [Электрон. ресурс], URL: https://www.politerm.com/articles/obzor_gis.pdf (дата обращения 01.07.2023).
14. GIS-LAB. Веб-ГИС [Электрон. ресурс], URL: https://gis-lab.info/qa/webgis.html (дата обращения 01.07.2023).
15. Photovoltaic Geographical Information System [Электрон. ресурс], URL: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis. (дата обращения 01.07.2023).
16. Elistratov V.V. et al. The Application of Adapted Materials and Technologies to Create Energy Systems Based on Renewable Energy Sources under Harsh Climatic Conditions. – Applied Solar Energy, 2018, 54(6), pp. 472–476, DOI:10.3103/S0003701X18060087.
17. Пат. RU 207608 U1. Универсальный модульный фундамент арктической ветроэлектрической установки / В.В. Елистратов, А.А. Панфилов, С.Г. Петров, 2021.
18. Ingram G. Wind Turbine Blade Analysis Using the Blade Element Momentum Method. Version 1.1, 2011. [Электрон. ресурс]. URL: https://pdfslide.net/documents/wind-turbine-blade-analysis-using-the-blade-element-momentum-.html?page=1 (дата обращения 01.07.2023).
19. Design and Shape Optimization of a Wind Turbine Blade [Электрон. ресурс], URL: htps://www.pseven.io/blog/use-cases/design-and-optimization-of-wind-turbine-blade.html (дата обращения 01.07.2023).
20. Shahrbabak A.P., Dehghan M., Rahgozar S. Genetic Algo-rithms for the Design and Optimization of Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) Blades: A Continuous Approach or a Binary One? – Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2021, vol. 44(10), DOI: 10.1016/j.seta.2021.101022.
21. Давыдов И.С. и др. Разработка оптимального профиля лопасти для ветрогенератора, предназначенного для применения в области переменных ветров. – Математические методы в технике и технологиях, 2019, т. 12, № 1, с. 228–231.
22. Liu Y. et al. Modeling, Planning, Application and Management of Energy Systems for Isolated Areas: A Review. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82, рр. 460–470, DOI: 10.1016/j.rser.2017.09.063.
23. Lambert T., Gilman P., Lilienthal P. Micropower System Modelling with HOMER. – Integration of Alternative Sources of Energy, John Wiley & Sons, 2006, рр. 379-418.
24. IEA Wind TCP. Task 19. Wind Energy in Cold Climates [Электрон. ресурс], URL: https://iea-wind.org/task19 (дата обращения 01.07.2023).
25. Battisti L. Wind Turbines in Cold Climates: Icing Impacts and Mitigation Systems, Springer, 2015, 355 р.
26. Tammelin B., Seifert H. Large Wind Turbines Go into Cold Climate Regions. – EWEC, 2001.
27. ISO-12494:2001. Atmospheric Icing of Structures. Geneva: ISO Copyright Office, 2001, 56 р.
28. Parent O., Ilinca A. Anti-Icing and De-Icing Techniques for Wind Turbines: Critical Review. – Cold Regions Science and Technology, 2011, No. 65, pp 88–96, DOI:10.1016/j.coldregions.2010.01.005.
29. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1980.
30. Елистратов В.В. и др. Арктическая ветродизельная электростанция с интеллектуальной системой управления. – Электричество, 2022, № 2, с. 29–37.
31. Elistratov V. et al. Study of the Intelligent Control and Modes of the Arctic-Adopted Wind–Diesel Hybrid System. – Energies, 2021, 14(14), 4188, DOI: 10.3390/en14144188.
32. Ansari M.M.T., Sangoden V. DMLHFLC (Dual Mode Linguistic Hedge Fuzzy Logic Controller) for an Isolated Wind-Diesel Hybrid Power System with BES (Battery Energy Storage) Unit. – Energy, 2010, 35(9), pp. 3827–3837, DOI:10.1016/j.energy.2010.05.037.
33. Vachirasricirikul S., Ngamroo I., Kaitwanidvilai S. Coordinated SVC and AVR for Robust Voltage Control in a Hybrid Wind-Diesel System. – Energy Conversion and Management, 2010, 51, pp. 2383–2393, DOI:10.1016/j.enconman.2010.05.001.
34. Shukur O.B., Lee M.H. Daily Wind Speed Forecasting Through Hybrid KF-ANN model based on ARIMA. – Renewable Energy, 2015, 76, pp. 637–647, DOI:10.1016/j.renene.2014.11.084.
35. Aasim, Singh S.N., Mohapatra A. Repeated Wavelet Transform Based ARIMA Model for Very Short-Term Wind Speed Forecasting. – Renewable Energy, 2019,136, pp. 758–768, DOI:10.1016/j.renene.2019.01.031.
36. D’Amico G. et al. Managing Wind Power Generation via Indexed Semi-Markov Model and Copula. – Energies, 2020, 13, 4246, DOI:10.3390/en13164246.
37. Santhosh M., Venkaiah C., Vinod Kumar D.M. Ensemble Empirical Mode Decomposition Based Adaptive Wavelet Neural Network Method for Wind Speed Prediction. – Energy Conversion and Management, 2018, 168, pp. 482– 493, DOI:10.1016/j.encon-man.2018.04.099.
38. Elistratov V.V., Denisov R.S. Optimization of Hybrid Systems 'Operating Modes Based on Renewable Energy. – 16th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, ELMA, 2019, 8771684, DOI: 10.1109/ELMA.2019.8771684.
39. Projected Costs of Generating Electricity 2020 [Электрон. ресурс], URL: https://www.iea.org/reports/projected-costs-of-generating-electricity-2020 (дата обращения 01.07.2023).
40. Kazem H.A. et al. Optimum Design and Evaluation of Hybrid Solar/Wind/Diesel Power System for Masirah Island. – Environment, Development and Sustainability, 2017, 19 (5), pp. 1761–1778, DOI:10.1007/s10668-016-9828-1.
41. Копылов А.Е. Экономика ВИЭ. М.: Грифон, 2015, 364 с.
42. Современная рыночная электроэнергетика Российской Федерации / под ред. О.Г. Баркина. М.: Перо, 2017, 530 с.
43. Елистратов В.В., Кудряшева И.Г. Разработка принципов комплексного подхода к определению эффективности ветро-дизельных энергетических комплексов автономного энергоснабжения. – Электрические станции, 2015, № 10, с. 38–42.
44. Елистратов В.В. и др. Ресурсы и технологии использования возобновляемых источников энергии. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022, 528 с.
#
1. Elistratov V., Denisov R., Konishchev M. Reducing the Arctic Carbon Footprint through Low-Carbon Technologies and Wind Power Plants. – The 2nd International Scientific Conference «Ecosystems without Borders–2021», 2022, 2636, 050004, DOI: 10.1063/5.0104405.
2. Elistratov V.V. Neftegas.Ru, 2023, No. 1(133), pp. 74–79.
3. Elistratov V.V. Arkticheskoe prostranstvo Rossii v XXI veke: faktory razvitiya, organizatsiya upravleniya – in Russ. (The Arctic Space of Russia in the XXI Century: Development Factors, Management Organization). SPb.: ООО Izdatel'skiy dom «Nauka», 2016, pp. 936–952.
4. Elistratov V.V., Kudryashcheva I.G. Rezhimy raboty ustanovok i energokompleksov na osnove vozobnovlyaemyh vidov energii (Modes of Operation of Installations and Power Complexes Based on Renewable Energy). SPb.: POLITEKH-PRESS, 2021, 157 p.
5. Elistratov V. Energy Supply of Autonomous Territories Based on Renewable Energy Sources. – 7th International Conference on Energy Efficiency and Agricultural Engineering, 2020, DOI:10.1109/EEAE49144.2020.9279083.
6. Elistratov V.V. Vozobnovlyaemaya energetika (Renewable Ener-gy) SPb.: Izd-vo politekhnicheskogo un-ta, 2016, 424 p.
7. Dyul'din M.V., Elistratov V.V. Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta – in Russ. (Proceedings of the Kuban State Agrarian University), 2017, iss. 1(64), pp. 227–233.
8. Elistratov V.V., Bogun I.V., Kasina V.I. Development of a Geoinformation System for the Design of Wind Power Facilities in the Russian Arctic Conditions. – 4th International Scientific Conference “Arctic: History and Modernity”, 2019, vol. 302 (1), DOI:10.1088/1755-1315/302/1/012064.
9. Elistratov V.V. et al. Santekhnika, otoplenie, konditsionirova-nie – in Russ. (Plumbing, Heating, Air Conditioning), 2021, No. 10, pp. 66–71.
10. Elistratov V.V., Panfilov А.А. Polyarnaya mekhanika – in Russ. (Polar Mechanics), 2016, No. 3, pp. 599–609.
11. Saha S. et al. The NCEP Climate Forecast System Reanalysis. – Bulletin of the American Meteorological Society, 2010, 91(8),
pp. 1015–1057, DOI:10.1175/2010BAMS3001.1.
12. WAsP CFD in WindPRO. Energy calculations with CFD [Electron. resource], URL: http://www.emd.dk/files/windpro2.9/Wind-PRO_and_WAsPCFD.pdf (Date of appeal 01.07.2023).
13. Myl'nikov D.Yu. Geoinformatsionnye platformy (Geoinformation Platforms) [Electron. resource], URL: https://www.politerm.com/articles/obzor_gis.pdf (Date of appeal 01.07.2023).
14. GIS-LAB. Web GIS [Electron. resource], URL: https://gis-lab.info/qa/webgis.html (Date of appeal 01.07.2023).
15. Photovoltaic Geographical Information System [Electron. resource], URL: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis. (Date of appeal 01.07.2023).
16. Elistratov V.V. et al. The Application of Adapted Materials and Technologies to Create Energy Systems Based on Renewable Energy Sources under Harsh Climatic Conditions. – Applied Solar Energy, 2018, 54(6), pp. 472–476, DOI:10.3103/S0003701X18060087.
17. Pаt. RU 207608 U1. Universal'nyy modul'nyy fundament arkticheskoy vetroelektricheskoy ustanovki (Universal Modular Foundation of the Arctic Wind Power Plant) / V.V. Elistratov, A.A. Pan-filov, S.G. Petrov, 2021.
18. Ingram G. Wind Turbine Blade Analysis Using the Blade Element Momentum Method. Version 1.1, 2011. [Electron. resource]. URL: https://pdfslide.net/documents/wind-turbine-blade-analysis-using-the-blade-element-momentum-.html?page=1 (Date of appeal 01.07.2023).
19. Design and Shape Optimization of a Wind Turbine Blade [Electron. resource], URL: htps://www.pseven.io/blog/use-cases/de-sign-and-optimization-of-wind-turbine-blade.html (Date of appeal 01.07.2023).
20. Shahrbabak A.P., Dehghan M., Rahgozar S. Genetic Algorithms for the Design and Optimization of Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) Blades: A Continuous Approach or a Binary One? – Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2021, vol. 44(10), DOI: 10.1016/j.seta.2021.101022.
21. Davydov I.S. et al. Matematicheskie metody v tekhnike i tekhnologiyah – in Russ. (Mathematical Methods in Engineering and Technology), 2019, vol. 12. No. 1. pp. 228–231.
22. Liu Y. et al. Modeling, Planning, Application and Management of Energy Systems for Isolated Areas: A Review. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82, рр. 460–470, DOI: 10.1016/j.rser.2017.09.063.
23. Lambert T., Gilman P., Lilienthal P. Micropower System Modelling with HOMER. – Integration of Alternative Sources of Energy, John Wiley & Sons, 2006, рр. 379-418.
24. IEA Wind TCP. Task 19. Wind Energy in Cold Climates [Electron. resource], URL: https://iea-wind.org/task19 (Date of appeal 01.07.2023).
25. Battisti L. Wind Turbines in Cold Climates: Icing Impacts and Mitigation Systems, Springer, 2015, 355 р.
26. Tammelin B., Seifert H. Large Wind Turbines Go into Cold Climate Regions. – EWEC, 2001.
27. ISO-12494:2001. Atmospheric Icing of Structures. Geneva: ISO Copyright Office, 2001, 56 р.
28. Parent O., Ilinca A. Anti-Icing and De-Icing Techniques for Wind Turbines: Critical Review. – Cold Regions Science and Technology, 2011, No. 65, pp 88–96, DOI:10.1016/j.coldregions.2010.01.005.
29. Rukovodstvo po proektirovaniyu osnovaniy i fundamentov na vechnomerzlyh gruntah (Guidelines for the Design of Foundations and Foundations on Permafrost Soils). M.: Stroyizdat, 1980.
30. Elistratov V.V. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 2, pp. 29–37.
31. Elistratov V. et al. Study of the Intelligent Control and Modes of the Arctic-Adopted Wind–Diesel Hybrid System. – Energies, 2021, 14(14), 4188, DOI: 10.3390/en14144188.
32. Ansari M.M.T., Sangoden V. DMLHFLC (Dual Mode Linguistic Hedge Fuzzy Logic Controller) for an Isolated Wind-Diesel Hybrid Power System with BES (Battery Energy Storage) Unit. – Ener-gy, 2010, 35(9), pp. 3827–3837, DOI:10.1016/j.energy.2010.05.037.
33. Vachirasricirikul S., Ngamroo I., Kaitwanidvilai S. Coordinated SVC and AVR for Robust Voltage Control in a Hybrid Wind-Diesel System. – Energy Conversion and Management, 2010, 51, pp. 2383–2393, DOI:10.1016/j.enconman.2010.05.001.
34. Shukur O.B., Lee M.H. Daily Wind Speed Forecasting Through Hybrid KF-ANN model based on ARIMA. – Renewable Energy, 2015, 76, pp. 637–647, DOI:10.1016/j.renene.2014.11.084.
35. Aasim, Singh S.N., Mohapatra A. Repeated Wavelet Transform Based ARIMA Model for Very Short-Term Wind Speed Forecasting. – Renewable Energy, 2019,136, pp. 758–768, DOI:10.1016/j.renene.2019.01.031.
36. D’Amico G. et al. Managing Wind Power Generation via Indexed Semi-Markov Model and Copula. – Energies, 2020, 13, 4246, DOI:10.3390/en13164246.
37. Santhosh M., Venkaiah C., Vinod Kumar D.M. Ensemble Empirical Mode Decomposition Based Adaptive Wavelet Neural Network Method for Wind Speed Prediction. – Energy Conversion and Management, 2018, 168, pp. 482– 493, DOI:10.1016/j.encon-man.2018.04.099.
38. Elistratov V.V., Denisov R.S. Optimization of Hybrid Systems 'Operating Modes Based on Renewable Energy. – 16th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, ELMA, 2019, 8771684, DOI: 10.1109/ELMA.2019.8771684.
39. Projected Costs of Generating Electricity 2020 [Electron. resource], URL: https://www.iea.org/reports/projected-costs-of-gene-rating-electricity-2020 (Date of appeal 01.07.2023).
40. Kazem H.A. et al. Optimum Design and Evaluation of Hybrid Solar/Wind/Diesel Power System for Masirah Island. – Environment, Development and Sustainability, 2017, 19 (5), pp. 1761–1778, DOI:10.1007/s10668-016-9828-1.
41. Kopylov A.E. Ekonomika VIE (Economics of RES). М.: Grifon, 2015, 364 p.
42. Sovremennaya rynochnaya elektroenergetika Rossiyskoy Federatsii (Modern Market Electric Power Industry of the Russian Federation)/ Ed. by O.G. Barkin. М.: Pero, 2017, 530 p.
43. Elistratov V.V., Kudryasheva I.G. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Power Plants), 2015, No. 10, pp. 38–42.
44. Elistratov V.V. et al. Resursy i tekhnologii ispol'zovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii (Resources and Technologies for the Use of Renewable Energy Sources). SPb.: POLITEKH-PRESS, 2022, 528 p.
Опубликован
2023-08-31
Раздел
Статьи