Фотоэлектрические и гидроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения

Рассмотрены особенности автономных систем электроснабжения населенных пунктов, потенциал возобновляемых источников энергии в районах Красноярского края 
и Республики Тыва, а также энергетические характеристики 
фотоэлектрических и гидроэнергетических установок. Значительное внимание уделено вопросам математического 
моделирования и рационального построения автономных 
систем электроснабжения с применением энергокомплексов 
на основе установок, использующих энергию Солнца и воды. 
Представлены критерии экономической эффективности внедрения фотоэлектрических и гидроэнергетических установок. На примере поселков Красноярского края и Республики 
Тыва показаны возможности практического применения подобных систем энергообеспечения.

В. А. Тремясов
К. В. Кенден

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  
И ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ  
В СИСТЕМАХ АВТОНОМНОГО 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В. А. Тремясов, К. В. Кенден
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ  
В СИСТЕМАХ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В. А. Тремясов, К. В. Кенден 

 
 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  
И  ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ  УСТАНОВКИ  
В  СИСТЕМАХ  АВТОНОМНОГО  
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 

 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2017 

УДК 621.311.61 
ББК  31.27-04 
Т662 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
С. М. Плотников, доктор технических наук, профессор Сибирского 
государственного университета науки и технологий имени академика 
М. Ф. Решетнёва; 
А. В. Бастрон, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой 
электроснабжения сельского хозяйства Красноярского государственного аграрного университета 
 
 
Тремясов, В. А.  
Т662 
 
Фотоэлектрические и гидроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения : монография / В. А. Тремясов, К. В. Кенден. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2017. – 
208 с. 
ISBN 978-5-7638-3539-7 
 
Рассмотрены особенности автономных систем электроснабжения населенных пунктов, потенциал возобновляемых источников энергии в районах 
Красноярского края и Республики Тыва, а также энергетические характеристики фотоэлектрических и гидроэнергетических установок. Значительное 
внимание уделено вопросам математического моделирования и рационального построения автономных систем электроснабжения с применением 
энергокомплексов на основе установок, использующих энергию Солнца 
и воды. Представлены критерии экономической эффективности внедрения 
фотоэлектрических и гидроэнергетических установок. На примере поселков 
Красноярского края и Республики Тыва показаны возможности практического применения подобных систем энергообеспечения.  
Предназначена для специалистов в области возобновляемых источников 
энергии и автономных систем энергообеспечения. 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.311.61 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 31.27-04 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3539-7 
© Сибирский федеральный  
университет, 2017 

Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
Оптимальное использование возобновляемых источников энергии 
(ВИЭ) имеет большое значение при проведении региональной энергетической политики. Проблема энергетической безопасности (надежности электроснабжения), насущная для многих стран, трансформируется в энергобезопасность субъектов Российской Федерации, особенно тех, что расположены в труднодоступных районах с автономным электроснабжением. 
Расходы на годовую закупку и доставку дизельного топлива для дизельных 
электростанций северных поселков в ряде случаев составляют более 60 % 
затрат на всю выработанную ими электроэнергию и постоянно растут. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах значительно превышает мировой уровень цен и достигает 40 руб. и более за 1 кВт·ч.  
При замещении дизельного топлива электроэнергией, выработанной 
на солнечных электростанциях и малых ГЭС (МГЭС), затраты на топливо 
существенно снижаются. В конечном счете уже через несколько лет можно 
начать экономить денежные средства, которые ежегодно тратятся на закупку и завоз дорогостоящего дизельного топлива в удаленные населенные 
пункты, находящиеся в зоне децентрализованного электроснабжения. Развитие возобновляемых источников энергии, солнечной и гидроэнергетики 
в частности, является перспективным направлением развития энергетической отрасли и активно поддерживается Правительством Российской Федерации. Вовлечение фотоэлектрических и гидроэнергетических установок 
в энергетический баланс изолированных от энергосистем районов Красноярского края и Республики Тыва с целью повышения надежности электроснабжения и эффективности энергосбережения путем вытеснения привозного органического топлива из энергетического баланса автономной системы электроснабжения является актуальным. 
Объект исследования в данной монографии – автономные системы 
электроснабжения поселков Красноярского края и Республики Тыва, их 
технико-экономические параметры с учетом ресурсов солнечной энергетики и малой гидроэнергетики. Предметом исследования является способность изолированной энергосистемы, ее отдельных элементов обеспечить 
экономичное электроснабжение потребителей, методики расчета надежности и оптимизации состава агрегатов солнечно-дизельного энергокомплекса и малой ГЭС. 
Реконструкция систем электроснабжения населенных пунктов Красноярского края и Республики Тыва с внедрением возобновляемых источников энергии обусловливает необходимость решения следующих задач:  

Предисловие 

4 

 анализ децентрализованных зон электроснабжения Красноярского 
края и Республики Тыва, выявление их основных проблем и перспектив 
развития; 
 исследование и совершенствование существующих методик определения выработки электрической энергии фотоэлектрическими установками и областей их применения;  
 разработка методик оценки технико-экономической эффективности систем электроснабжения с ВИЭ;  
 синтез структуры энергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии для внедрения в существующие децентрализованные энергосистемы региона; 
 разработка математической модели для определения оптимального 
состава оборудования ВИЭ при модернизации изолированных систем электроснабжения поселков Красноярского края и Республики Тыва, в наибольшей степени удовлетворяющего заявленным требованиям (целям); 
 формулировка предложений по коррекции топливно-энергетического 
баланса децентрализованных зон электроснабжения Красноярского края 
и Республики Тыва с учетом использования ресурсов солнечной энергетики 
и гидроэнергетического потенциала рек. Здесь даны научно-технические 
основы использования фотоэлектрических и гидроэнергетических установок и показаны возможности их использования для производства электроэнергии в локальных системах электроснабжения. 
Монография включает шесть глав.  
В первой главе рассмотрены особенности энергоснабжения децентрализованных населенных пунктов и пути совершенствования децентрализованного энергоснабжения потребителей. Предложено использование 
гидравлической и солнечной энергии в районах децентрализованного 
энергоснабжения Красноярского края и районов, расположенных на территории Тывы. 
Во второй главе проанализированы возможности возобновляемой 
энергетики на территории Красноярского края и Республики Тыва. Проведено районирование ресурсов солнечной энергии. Выполнена оценка гидроэнергетического потенциала рек этих территорий. 
Третья глава посвящена вопросам оценки поступления солнечной 
энергии на горизонтальную и наклонную поверхности, разработке методики 
определения вырабатываемой энергии фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП) с учетом климатических и аппаратных факторов. Здесь рассмотрены применяемые схемы электростанций на фотоэлектрических преобразователях. Выполнен обзор схем построения автономных систем электроснабжения, имеющих в своем составе фотоэлектрические преобразователи. 
Проведен анализ фотоэлектрических установок современных производите

Предисловие 

5 

лей. Предложена методика определения технико-экономических показателей систем электроснабжения с фотоэлектрическими установками. 
В четвертой главе представлены основные схемы использования 
энергии малых рек. Приведена методика оценки параметров деривационной малой ГЭС. Рассмотрены системы управления режимами работы генератора МГЭС, а также вопросы параллельной работы МГЭС с дизельными 
электростанциями (ДЭС) и другими генераторами на базе ВИЭ. Проведен 
анализ гидроэнергетических установок МГЭС современных производителей. Предложена методика оценки показателей экономической эффективности электроснабжения от МГЭС. 
В пятой главе приведена методика комплексной оптимизации состава и мощности энергосистемы ДГ–ФЭП–АБ (ДГ – дизель-генератор, АБ – 
аккумуляторная батарея) и выполнен синтез структуры энергокомплекса 
ДГ–ФЭП–АБ в составе автономной системы энергоснабжения с. Качык. 
Рассмотрен выбор установленной мощности МГЭС «Тоора-Хем» на 
р. Большой Енисей. Выполнены оценка надежности системы генерации 
МГЭС «Тоора-Хем» и многокритериальный анализ эффективности технических решений вариантов генерации МГЭС «Тоора-Хем» в Республике 
Тыва. 
В шестой главе показаны возможности реализации пилотных проектов систем автономного электроснабжения с использованием фотоэлектрических установок и малых ГЭС в поселках муниципальных районов 
Красноярского края. 
 
 

Глава 1 

6 

Глава

 
 

1.1. О

д
 
П

обостр
сурсос
с авто
с обще

 
 

 
Рис. 

 
 
В

вающи
довой 
пункто

а 1. АНА

НАС
РЕС
ЕГО

Особенн
децентра

Проблема
ряется, не
сберегающ
ономным 
ей устано

1.1. Централ
– централи
– неэлектр

В больши
ие острый

занятост

ов, особен

АЛИЗ СО
СЕЛЕНН
СПУБЛИК
О СОВЕР

ности эне
ализова

а дефицит
есмотря н
щих техн

энергосн

овленной 

изованное и
изованное э
официрован

инстве ре
й дефици
ти населе
нно малы

ОСТОЯНИ
ЫХ ПУНК
КИ ТЫВА
РШЕНСТВ

ергоснаб
нных на

та электр
на значит
нологий. Н
набжение
мощност

и автономно
нергоснабже
о 

егионов Р
ит электр
ения, но 
ых и удале

ИЯ ЭНЕР
КТОВ КР
А И ПЕРС
ВОВАНИ

бжения 
селенны

роэнергии
тельные у
На 65 % т
ем, где п
тью электр

ое энергосна
ение; 
–

России су
оэнергии
даже для
енных от 

РГОСНА
РАСНОЯР
СПЕКТИ
ИЯ 

ых пункто

и в мирово
усилия и 
территори
проживаю
ростанци

абжение тер
– автономно

уществую
 не тольк
я электро
линий эл

БЖЕНИЯ
РСКОГО
ВЫ  

ов 

ом сообщ
затраты 
ии России
ют поряд
й 17 млн 

ритории Рос
е энергосна

ют террит
ко для об
оснабжен
лектропер

Я 
 КРАЯ, 

ществе все

на развит
и имеютс
дка 15 мл

кВт (рис

ссии [1]: 
абжение; 

тории, ис
беспечени
ния насел
редач (ЛЭ

е более 
тие рея зоны 
лн чел., 
. 1.1). 

 

спытыия труленных 
П).  

Анализ состояния энергоснабжения населенных пунктов Красноярского края, Республики Тыва… 

7 

В Красноярском крае имеется целый ряд потребителей, которые не 
присоединены к централизованной системе энергоснабжения. Для подключения к энергосистеме небольшой нагрузки усадебного дома требуется 
строительство высоковольтной ЛЭП и понизительной трансформаторной 
подстанции (ТП). Так, количество населенных пунктов, не имеющих постоянного освещения, по Красноярскому краю составляет до 18 % и свыше 
20 % в районе Нижнего Приангарья и в среднем течении р. Енисей. Эта 
статистика – следствие удаленности территорий, что обусловило прекращение энергоснабжения из-за нерентабельности эксплуатации существующих ЛЭП и неэффективности строительства новых в результате больших потерь при передаче электроэнергии на такие расстояния. Аналогичная картина складывается для всего региона Сибири и Дальнего Востока.  
В то же время в связи с интенсивным освоением природных ресурсов 
и удаленностью населенных пунктов от централизованных источников 
электроснабжения в Сибирском регионе сложился большой дефицит энергетических мощностей, удовлетворить который средствами большой энергетики экономически и технически нецелесообразно. 

К таким регионам относится и Республика Тыва, представляющая 

собой горный регион в южной части Восточной Сибири площадью 
168,6 тыс. км2 с населением 313,78 тыс. чел. В Республике насчитывается 
17 муниципальных районов [2], из них 11 охвачены централизованным энергоснабжением, три имеют децентрализованное энергоснабжение и три – 
смешанное энергоснабжение (рис. 1.2). 
Централизованная система энергоснабжения республики входит 
в объединенную энергосистему Сибири, граничит с Красноярской и Хакасской энергосистемами, а также и энергосистемой Монголии. Энергоснабжение Тывы осуществляется от сетей ПАО «Федеральная Сетевая 
Компания Единой Энергетической Системы» («ФСК ЕЭС») и от Кызылской ТЭЦ (рис. 1.3). 

Крупными предприятиями энергетической отрасли являются ОАО 

«Кызылская ТЭЦ», ОАО «Тываэнерго» (ПАО «МРСК Сибири»), ОАО 
«Тываэнергосбыт», ОАО «Ак-Довуракская ТЭС», тывинский участок филиала ПАО «ФСК ЕЭС» – «МЭС Сибири» [2].  

Единственной электрогенерирующей мощностью в Тыве является 

Кызылская ТЭЦ (ТГК-13) с установленной мощностью 17 МВт. В 2009 г. 
из-за аварии на Саяно-Шушенской ГЭС с целью компенсации энергодефицита и обеспечения надежного энергоснабжения в Тыве была введена 
в эксплуатацию мобильная газотурбинная электрическая станция мощностью 44 МВт в г. Кызыл.  

Одной из главных проблем экономики республики являются практи
чески полностью исчерпанные мощности по тепловой и электрической 

Глава 1 

8 

энергии. Отсутствие свободных энергомощностей в республике уменьшает 
конкурентные преимущества региона для потенциальных инвесторов, планирующих организацию энергоемких производств (табл. 1.1). 
 
 

 
 
Рис. 1.2. Районирование энергоснабжения Республики Тыва по зонам: 1 – БайТайгинский; 2 – Барун-Хемчикский; 3 – Дзун-Хемчикский; 4 – Каа-Хемский; 5 – Кызылский; 6 – Монгун-Тайгинский; 7 – Овюрский; 8 – Пий-Хемский; 9 – Сут-Хольский; 
10 – Тандынский; 11 – Тере-Хольский; 12 – Тес-Хемский; 13 – Тоджинский; 14 –УлугХемский; 15 – Чаа-Хольский; 16 – Чеди-Хольский; 17 – Эрзинский районы 
 
 

 
 
Рис. 1.3. Схема централизованного энергоснабжения Республики Тыва: нагрузка – 170 МВт, 
собственная генерация – 17 МВт, максимально допустимый переток (МДП) – 185 МВт; 
высоковольтные линии (ВЛ) и подстанции (ПС) напряжением 220 кВ; 
 ВЛ 
и ПС 110 кВ 

Анализ состояния энергоснабжения населенных пунктов Красноярского края, Республики Тыва… 

9 

Таблица 1.1 
Производство и потребление электроэнергии  
в Республике Тыва за 2014 г. 
 

Показатель 
Значение 

млн кВтч 
% к общему потреблению 

Выработано электроэнергии 
69,3 
9,2 

Получено электроэнергии из-за пределов 
Республики Тыва 
681,7 
90,8 

Потреблено электроэнергии всего 
703,3 
100,0 

В том числе: 
потери в электрических сетях общего 
пользования 
потреблено организациями всех видов 
экономической деятельности 
потреблено населением 

 
 
275,6 
 
259,8 
167,9 

 
 
39,2 
 
36,9 
23,9 

 
К зоне децентрализованного электроснабжения относится 45 % 
территории Тывы с общей численностью населения около 12 тыс. чел.  
Децентрализованная энергетика Тывы, основанная преимущественно 
на дизельной генерации и локальных сетях малого напряжения, характеризуется социально-экономическими особенностями функционирования 
и развития энергетического хозяйства республики: резко континентальный 
климат, удаленность и труднодоступность потребителей, низкая плотность 
населения, небольшие требуемые мощности энергогенерирующих установок, отсутствие крупных промышленных потребителей, экологическая 
уязвимость территории республики, аграрная специализация районов. 
Изолированными энергоузлами республики являются в основном 
сельские населенные пункты скотоводов, охотников и рыбаков, находящиеся на большом расстоянии друг от друга и от столицы республики – 
г. Кызыл.  
Для бытовых и технологических нужд населения в 12 сельских пунктах функционируют ДЭС с дизель-генераторами различных типов, модификаций и года выпуска, что затрудняет процессы их сервисного обслуживания и ремонта, приводит к снижению надежности эксплуатации 
(рис. 1.4).  
Например, на Тоора-Хемской ДЭС имеется ДГ марки ГСМ-2 1988 г. 
выпуска, тогда как на Хамсаринской ДЭС работает ДГ марки ДЭУ-30.1 
2013 г. выпуска. 
Общая установленная мощность ДЭС в 12 населенных пунктах достигает 5,265 МВт (табл. 1.2). В районных центрах трех муниципальных образований установленные мощности ДЭС составляют 700 кВт (с. Кунгур