Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16–08–00243 а
В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Более 20 млн. россиян, на сегодняшний день, проживая в удаленных от центра России регионах, не входящих в зону обслуживания российской централизованной энергетики, испытывают острый недостаток в электрической энергии. Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика и солнечная энергетика.
Ключевые слова: автономное питание, ветроэнергетическая установка, солнечная энергетика, ветроэнергетика, алгоритм расчёта.
В энергетическом обеспечении в отдаленных и труднодоступных субъектах РФ значительную роль играет малая энергетика, которая обеспечивает электроэнергией и тепловой энергией около 70 % территории страны.
Программа развития малой энергетики в Российской Федерации реализуется очень медленно. Однако уже имеется внедрение новой и современной технологии в малой энергетике, которые направлены на повышение эффективности работы электрического оборудования. Экономия нефти и газа, обеспечение надежности и качества электроснабжения является важнейшей задачей, решение которой позволяет произвести улучшение по экономическим, техническим, функциональным качествам работы системы [1].
Главным вопросом энергоснабжения потребителей, которые отдалены от энергетической системы, остаётся транспортировка дизельного топлива и обусловленность его поставок для дизельных электростанций (ДЭС). Применение ВЭУ и СЭУ в составе автономных энергетических систем позволит значительно уменьшить зависимость от нефти и газа в себестоимости вырабатываемой электрической энергии. Это немаловажно для подъёма технических и экономических показателей. В данное время, во всём мире применяются разнообразные разновидности построения комбинированных электростанций на базе ВЭУ.
Однако альтернативная энергетика характеризуется непостоянным графиком выработки энергии. Следственно, преимущественно высокоэффективная схема электроснабжения автономных объектов должна сочетать альтернативные и традиционные энергоисточники.
При автономной схеме электроснабжения для изолированных потребителей в целях уменьшения потребления нефти и газа и улучшения экологической ситуации целесообразно ориентироваться на максимальное привлечение возобновляющихся природных энергоресурсов. При этом традиционные энергоустановки выполняют роль дополнительного источника, который обеспечивает гарантированное энергоснабжение. При этом решается проблема доставки топлива, так как годовой запас будет небольшим.
Однако использование АИЭ (ветровой и солнечной) связано с рядом факторов:
— присутствие технических средств для использования альтернативных ресурсов на рынке в России и в мире;
— ценовой коэффициент энергетических установок;
— больные сезонные колебания нетрадиционных ресурсов;
— зависимость энергоустановки к альтернативному энергоисточнику, что значительно уменьшает универсальность применения [2].
В отличие от большой энергетики, которая повышает свои мощности привлечением больших финансовых вложений, малая энергетика способна за короткое время увеличить мощности для непосредственных потребителей, этим можно закрыть часть проблем и позволить большой энергетике перенаправить освободившиеся мощности в другую сферу деятельности.
Важное место в стратегии развития электроэнергетики занимают автономные системы электроснабжения (АСЭ). В последнее время АСЭ получают все более широкое распространение в системе электроснабжения не только специального, но и общего применения [3].
Решение вопроса обеспечения надёжного и бесперебойного снабжения потребителя электроэнергией, полученной путём преобразования энергии ветра и солнца, выглядит на первый взгляд достаточно просто. Необходимо в состав автономной электростанции включить систему накопления энергии и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих работоспособность построенного таким образом электрогенерирующего комплекса (в дальнейшем ЭГК) [4].
Однако не всё так просто!!! Анализ разработок российских и зарубежных учёных в области ВЭУ показал, что имеются ряд проблем, снижающих эффективность использования ветроустановок в системах автономного электроснабжения. Данные проблемы разделяться на:
— методические. Они связаны с недостаточностью разработок методик выбора структуры систем автономного электроснабжения, неполными данными о ветровой нагрузке и других факторах, которые оказывают существенное влияние при принятии решения о структуре и месте размещения системы.
— технологические. Это необходимость повышать эффективность самой ВЭУ в районах с малой ветровой эффективностью.
— финансовые. Данные проблемы зависят от низкой конкурентоспособностью альтернативной энергетики с электроэнергией централизованного электроснабжения [5].
Современные ВЭУ делятся на:
— мощные (более 100 кВт);
— автономные (до 100 кВт).
Автономные ВЭУ ещё называют ветроэлектрические установки малой мощности (ВЭУмм). Данные установки дешевые и не сложные в монтаже, эксплуатации и ремонте, не требуют при работе практически никакого обслуживания, периодической подстройки и др.
Данные установки малой мощности очень выгодно отличаются от всех других средств нетрадиционной энергетики. Такие установки позволяют строить автономную систему, т. к. для них подходит накопитель энергии (электрический аккумулятор). Они просты, надежны, дешевые. Именно аккумулятор обеспечивает многие характеристики ВЭУмм:
— является накопителем энергии,
— позволяет осуществлять большие пиковые перегрузки,
— стабилизирует выходное напряжение,
— облегчает разгон ВЭУ,
— является хорошим сумматором для различных источников энергии [5].
Необходимыми исходными данными для выбора оборудования автономного ЭГК являются:
— характеристики потребителя (максимальна и минимальная мощность, потребление электроэнергии за определенный период) и ветровые ресурсы территории, на которой он находится.
— определение схемы и состава оборудования автономного ЭГК.
— выбор модели ветроэнергетической установки.
— выбор остального оборудования, входящего в состав автономного ЭГК (кабели, аккумуляторная батарея, инвертор и т. д.).
По результатам выбора оборудования необходимо провести анализ экономической эффективности рассматриваемого проекта [6]. Таким образом, алгоритм выбора оборудования, входящего в состав автономного ЭГК, включает:
1) оценку характеристик потребителя — максимальной (пиковой) мощности Pmax, минимального (базового) уровня нагрузки Pmin, объем потребления электроэнергии за определенный период;
2) анализ ветрового потенциала места размещения потребителя (средняя скорость ветра за определенный период, повторяемость различных градаций скорости ветра);
3) определение схемы автономного ЭГК;
4) выбор модели ВЭУ (номинальная мощность, тип генератора, номинальная скорость ветра и т. д.);
5) выбор остального оборудования автономного ЭГК;
6) оценку экономической эффективности использования автономного ЭГК.
В работе [7] приведена программа, которая предназначена для расчета автономного электроснабжения. Главная её функция — это подбор параметров ветроэнергетической установки и необходимых характеристик устанавливаемого оборудования для бесперебойного электроснабжения заданного объекта.
Солнечные электростанции, не связанные с промышленной электросетью, т. е. автономные солнечные электростанции (АСЭ), предназначены для электроснабжения потребителей, удаленных от электросетей, подведение электричества для которых обычно влечет высокие финансовые и трудовые затраты.
Для проектирования АСЭ необходимо определить:
— число и расчётную производительность солнечных модулей;
— ёмкость аккумуляторных батарей,
— мощность инвертора и контроллера заряда-разряда.
При этом необходимыми данными для расчета мощности солнечной электростанции являются:
— район и место нахождения;
— общая площадь потребителя;
— число помещений;
— применение электрических приборов;
— присутствие или отсутствие отопления и горячего водоснабжения;
— суммарная максимальная мощность всех электроприборов;
— ориентировочное время работы каждого электропотребителя [8].
Рис. 1. Алгоритм расчета [8]
Предлагаемая методика расчета мощности АСЭ предполагает:
— пересчет мощностей нагрузок на основную шину питания электростанций;
— определение энергопотребления нагрузок за сутки;
— составление графика изменения нагрузки за сутки для установления требуемой емкости аккумуляторной батареи солнечной электростанции и количества отдельных аккумуляторных батарей, производимых промышленностью;
— определение мощностей зарядного устройства, инверторов, основной шины питания и солнечных модулей [9].
Также позволяет исключить неоправданное завышение мощности элементов электростанции и удорожание автономной солнечной электростанции.
Литература:
- Долуденко А. Н.и др. Разработка многофункционального энергетического комплекса на основе гибридной ветродизельной установки с накопителем энергии // Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур (ОИВТ РАН), Москва, Россия. – 26с.
- Лыков, С. Е. Перспективы использования ветроэнергетических установок для электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей Архангельской области // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. — 2003. — № 74. — С. 102–106.
- Хошнау Зана Пешанг Халил. Автономные системы электроснабжения на основе энергоэффективных вeтродизельных электростанций, дис.. канд. тех. наук: 05.14.02: Хошнау Зана Пешанг Халил. – Томск, 2012. – 145 с.
- Телегин В. В. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий ограниченной мощности с использованием альтернативных источников энергии, дис.. канд. тех. наук: 05.09.03: Телегин Валерий Викторович. – Липецк, 2014. – 179 с.
- Доржиев С. С., Базарова Е. Г., Горинов К. А. Проблемы электрификации автономного сельскохозяйственного потребителя малой мощности // Инновации в сельском хозяйстве. — 2015. — № 5 (15). — С. 134–141.
- Андреев Р. В. Ветроэнергетическая установка для автономного электротехнического комплекса малой мощности // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2014. — № 4 (207). — С. 49–60.
- Бубенчиков А. А. и др. Программный комплекс для расчета параметров системы автономного питания на основе ветроэнергетической установки с ротором Дарье //Международный научно-исследовательский журнал.– 2015. — № 10 (41).– С. 13–18.
- Охоткин Г. П. Методика расчета мощности солнечных электростанций // Вестник Чувашского университета. 2013. № 3. С. 222–230.
- Охоткин Г. П. Расчет мощности солнечных электростанций на LabVIEW // Вестник Чувашского университета. — 2013. — № 3. — С. 231–233.
