перевод. Технологии альтернативной энергетики. Современное состояние и перспективы развития
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
V В выражении (1.3) скорость ветра Vo на высоте флюгера ho, Vi на высоте оси ротора hi, к - коэффициент, ориентировочное значение которого 0.14 - 0.2. В различных источниках предлагаются разные методы определения коэффициента к в зависимости от характеристики ландшафта местности [34, 54, 58], скорости ветра [43]. Характеристики ветровой энергии в различных географических регионах страны систематизированы. Составлены карты ветров России [59, 60]. Существуют справочники, содержащие информацию о скорости ветра в регионах России На основе данных, приведённых в [13, 59, 60] и других источниках, можно ориентировочно оценить энергетический потенциал энергии ветра в заданной географической точке местности. Классификация установок ветроэнергетических устанавливается ГОСТ Р 51990-2002. Согласно [61, 62 и др.] существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса: - ветродвигатели с вертикально расположенной плоскостью вращения ветроколеса, ось ветроколеса параллельна потоку ветра (такие ветродвигатели называются крыльчатыми); - ветродвигатели с вертикальной осью вращения ветроколеса; - ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными, ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра. Наиболее распространёнными в Европе и мире являются ветродвигатели первого класса. Коэффициент использования мощности С (1.1) которых имеет наибольшее значение - 0.593 [25, 30, 32, 42,41], на практике обычно 0.4 - 0.45. Коэффициент использования мощности ветродвигателей второго класса равен -0.22. Однако этот класс ветродвигателей способен работать при скоростях ветра от 1.5 м/с. Для ветродвигателей первого класса скорость ветра должна составлять 3 м/с и выше. Ветродвигатели третьего класса наименее эффективны и широкого практического применения не имеют. Основными характеристиками определяющими экономическую эффективность электрогенерирующих комплексов, в том числе и ВЭУ [64-69], являются приведённые годовые затраты 3 на 1 кВт установленной мощности, руб/кВт, и себестоимость С 1-го кВтч электроэнергии, руб/кВтч. Существуют и другие показатели экономической эффективности ВЭУ. Так в работах [11, 63] Безруковым П.П. был предложен коэффициент экономической эффективности К . ф, позволяющий выполнить сравнение энергии, выработанной электростанцией за весь срок её службы, с энергией, затраченной на её изготовление, сооружение, транспортировку и эксплуатацию. Для возобновляемых источников Кэаэф больше единицы, а для систем перерабатывающих нефтепродукты и ядерную энергию меньше единицы. Это происходит за счёт того, что в установках, основанных на возобновляемых источниках, отсутствую затраты на топливо. Экономическая эффективность ВЭС связана с мощностью и конструктивным исполнением составляющих её ВЭУ [70]. Однако вид зависимости, определяющей взаимосвязь эффективности ВЭС с её параметрами неоднозначен. Так, с одной стороны цена установки увеличивается с увеличением её высоты и мощности, с другой стороны, годовые затраты на 1 кВт установленной мощности и себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии до каких-то, пока неопределённых пределов, может снижаться с увеличением высоты и мощности ВЭУ. Например, стоимость капитальных затрат на 25 установок по 4 МВт составляет 27,5 млн. долларов, а 100 установок по 1 МВт порядка ПО млн. долларов [71]. Для автономных ВЭС, как показывают исследования, выполненные автором [72, 73], значения любого из показателей их эффективности определяются не только параметрами самих ВЭС, но и суточными и сезонными режимами работы потребителя электроэнергии. Таким образом, задача проектирования ВЭС - это задача комплексного исследования и оптимизации параметров системы ветроэнергетическая станция - потребитель. 1.3 Электростанции на солнечных батареях Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, просто огромно и значительно превышает энергию всех мировых запасов углеродного топлива. Несложные расчёты показывают, что всего лишь 0,0125 % его объёма могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики [74]. Используют солнечную энергию в основном двумя способами [12, 14, 74] - в виде тепловой энергии, путём применения различных термосистем, и посредством фотохимических реакций (фотовольтаика [74]). Последний способ - непосредственное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Фотоэлементы солнечных батарей представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади. Фотовольтаический эффект - возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения, в том числе и излучения солнца Этот эффект впервые был открыт для электролитической ячейки французским учёным Эдмондом Беккерелем в 1839 году [75]. В дальнейшем исследованиям фотоэлектричества на протяжении длительного периода времени занимались такие известные учёные, как Г. Герц (1887 г.), В. Гельвакс, А Риги, А.Г. Столетов (1988 г.), Ф. Ленард (1900 - 1902 г.), Н. Тесла (1901 г.), А. Эйнштейн (1905 г.), Р. Милли- кен (1911-1914 г.), А.Ф. Иоффе (1913 г.), П.И. Лукирский (1928 г.), И.Е. Тамм и СП. Шубин (1931 г.) и другие. И только в 1930-х годах, как результат полувековых исследований, появились первые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), разработанные в России под руководством А.Ф. Иоффе. Практическое применение ФЭП нашли в солнечных батареях советского искусственного спутника Земли "Спугник-3" в 1958 году [76]. Процесс преобразования солнечного излучения в электрическую энергию осуществляется на солнечных электростанциях (СЭС) [81]. СЭС является одним из самых перспективных и наиболее быстро развивающихся направлений использования возобновляемых источников энергии [74, 82]. На рисунке 1.4 представлены данные динамики роста мировых производственных мощностей электричества (1) и рост производственных мощностей имеющихся в мире солнечных батарей (2). Пунктирами показаны экстраполяции двух возможных сценариев будущего роста глобальных мощностей солнечных батарей [82]. В настоящее время в России исследования по возобновляемой энергетике сосредоточены, в основном, в институтах РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова. Так в институте ФТИ им. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) сделаны разработки фото-электрических элементов с многослойными структурами на основе арсенида галлия (достигнут КПД, превышающий 20%). Однако общий объём этих исследований, к сожалению, невелик. Ряд организации России, среди которых Рязанский завод металлокерамических приборов г. Рязань, НПО «Машиностроение», ООО «Совлакс», НПП «Квант», ВИЭСХ, ЗАО «Телеком-СТВ», ОАО «Позит» г. Москва, ОАО «Сатурн», ООО «Солнечный ветер» г. Краснодар, завод «Красное знамя» г. Рязань, изготавливают небольшими партиями фотоэлементы и модули с КПД 14-15% [12]. В тоже время в странах Европы, США, Китае наблюдается значительный рост объёмов инвестирования в научные разработки и развитие мощностей, связанных с возобновляемыми источниками энергии, достигающий почти 100 миллиардов долларов ежегодно [82]. В результате, по данным информационно-аналитического агентства Cleandex [83], в 2011 году в мире было подключено 27.8 ГВт новых фотовольтаических станций. Таким образом, за последние пять лет суммарная мощность всех фотовольтаических станций увеличилась почти на порядок (7.0 ГВт в 2006 году) и составила 67.4 ГВт. Рисунок 1.4 - Динамика роста мировых производственных мощностей электричества и рост производственных мощностей имеющихся в мире солнечных батарей (2) В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем: частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов; коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле; промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей. В зависимости от материала, конструкции и способа производства выделяют три поколения ФЭП: - ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния. По способу изготовления различают поликристаллические и монокристаллические пластины кремния. В настоящее время ФЭП первого поколения благодаря низкой себестоимости получили наибольшее распространение; - ФЭП второго поколения на основе тонких плёнок, позволяют изготавливать гибкие и, в перспективе более дешёвые, ФЭП большой площади, но с меньшим коэффициентом преобразования в сравнении с ФЭП первого поколения; - ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов находится в настоящее время на стадии исследований. В общем случае ФЭП, входящие в состав СЭС, могут иметь фиксированный или следящий фотоприёмник без концентратора или с концентратором солнечного излучения. Известны различные варианты концентраторов и систем слежения, отличающиеся технико-экономическими показателями и эффективностью. Однако однозначно определить какой-либо вариант построения СЭС как наилучший, без проведения соответствующих исследований, невозможно [43, 45]. Мощность Р (кВт), вырабатываемая СЭС может быть рассчитана по формуле [43, 45, 76, 80]: P = R S , S M (1.4) где текущая суммарная мощность солнечного излучения (прямого, отражённого и рассеянного) в фокусирующей плоскости, кВт/м ; 2 S - площадь всех ФЭП, м ; rj - кпд ФЭП. В формулах (1.4) параметр л определяет способность ФЭП к преобразованию энергии солнечного излучения в электрическую. Его значение зависит от многих факторов, в числе которых материал, конструкция и способ производства ФЭП, температур и светопропускание защитного покрытия. Величина определяется территориальным расположением СЭС, климатическими условиями в данный момент времени, рельефом местности, датой и временем суток, наличием системы слежения, концентратора и их конструкционными параметрами [84, 85]. В некоторых работах, составляющая связанная с наличием и конструкцией систем слежения и концентраторов учитывается в виде отдельного коэффициента или как составляющая КПД солнечной батареи [45]. Методика расчета экономической эффективности преобразования солнечного излучения в электроэнергию аналогична методике, используемой для расчета экономической эффективности ВЭС. Определяющую роль играют общие капиталовложения (К) и общие годовые эксплуатационные расходы (С), которые зависят от типа солнечных батарей, их конструкции, наличия и конструкции систем управления [45]. Срок службы преобразователей солнечной энергии различен: - монокристаллические модули -30 и более лет; - поликристаллические модули - 20 и более лет; - из аморфного кремния (тонкоплёночные, или гибкие) - от 7 (первое поколение тонкоплёночных технологий) до 20 лет (второе поколение тонкоплёночных технологий), тонкоплёночные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые два года эксплуатации. На сроки окупаемости и себестоимость получаемой электроэнергии от генерирующего комплекса оказывает влияние место и способ размещения ФЭП, а так же наличие концентратора [45]. От этих особенностей зависит режим и количество солнечной энергии попадающей на поверхность панели, что в свою очередь вместе с КПД преобразования солнечного излучения является определяющими величинами количества выработанной электроэнергии (W) [64]. 26 Стоимость электроэнергии, вырабатываемая фотоэлектрическими установками, в настоящее время составляет порядка 20 - 30 центов за кВтч [74]. Однако вопрос об экономической эффективности СЭС может быть корректно решён лишь с учетом дефицита электроэнергии в регионах, удалённых от централизованных энергосистем (отдельные посёлки, деревни, рабочие точки), социально-экономических, географических и климатических условий. 1.4 Малая гидроэнергетика Гидроэнергетика - одна из наиболее развитых отраслей альтернативной энергетики [40, 86 - 90]. Первые в мире гидроэлектростанции были построены в конце 19-го века в Америке (на Ниагарском водопаде 1882 год), России на Алтае (Зыряновская ГЭС 1892 год) и Хорватии (1895 год). Их появление связано с работами английского физика М. Фарадея, открывшего в 1832 году принцип работы электромагнитного генератора и построившего его первую модель (диск Фарадея), русского учёного Э. X. Ленца, обосновавшего в 1833 году принцип обратимости электрических машин и тем самым доказавшего возможность использования электродвигателя в качестве генератора электрического тока, а также многих других учёных и инженеров. Первой ГЭС, которую можно считать промышленной, то есть работающей в энергосистеме, явилась гидроэлектростанция «Белый уголь» на реке Подкумок (1903 год), расположенной в современном Ставропольском крае. Дальнейшее развитие гидроэнергетики в России связано с реализацией плана ГОЭЛРО (1920 -1935 годы), строительством крупнейших ГЭС СССР (тринадцать ГЭС мощностью более 1000 мВт) [91], РФ (Богучанская ГЭС - 3000 мВт), реализацией "Энергетическая стратегия России на период до 2030 года" [1], закона «Об электроэнергетике» [2]. Согласно ГОСТ Р 51238-98 малая гидроэнергетика подразумевает использование для генерации энергии малых ГЭС (МГЭС), установленной мощностью от 100 до 30000 кВт, и микроГЭС (МкГЭС), с установленной мощностью до 100 кВт [92]. Известна и более детальная классификация ГЭС малой гидроэнергетики в зависимости от установленной мощности [93, 94]: - малые ГЭС - от 1 МВт до 30 МВт; - миниГЭС - от 100 кВт до 1 МВт; - микроГЭС - от 5 кВт до 100 кВт; - пикоГЭС - до 5 кВт. По конструктивному исполнению ГЭС малой мощности принято разделять на [14, 86, 88, 90, 93]: - плотинные, использующие для создания напора плотины или здания ГЭС. В зависимости от расположения знания ГЭС различают приплотинные и русловые гидроэлектростанции; - деривационные, использующие потенциальную энергию напора воды в трубопроводе или канале; - свобод поточные, в которых гидротурбина устанавливается непосредственно в речной поток без каких-либо гидротехнических сооружений и работает за счёт его кинематической энергии. Энергетический потенциал российских малых рек достаточно велик. Их количество превышает 2,5 миллиона, а суммарный сток составляет более 1000 км воды в год. Доступными в настоящее время средствами на малых ГЭС в России можно производить в год около 500 млрд. кВт-ч электроэнергии [94]. К середине 20-го века общее количество ГЭС мощностью менее 30 кВт в СССР составляло порядка 6500 единиц, в том числе на территории Европейской части страны их насчитывалось от 4 до 5 тысяч [95]. Однако впоследствии предпочтение было отдано строительству крупных ГЭС [91, 94], в то время как малые гидроэлектростанции постепенно выводились из эксплуатации. На сегодняшний день в России эксплуатируется всего около 300 малых ГЭС общей мощностью 1 ГВт, к 2015 году планируется довести суммарную мощность малых и микроГЭС до 2,2 ГВт [96]. Развитие электроэнергетики на длительную перспективу в РФ определяется Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики на период до 2020 года [97]. В настоящее время, несмотря на то, что экономические характеристики малых ГЭС уступают крупным гидроэлектростанциям, интерес к ним возобновился и постоянно растёт. Объясняется это тем, что сооружение малой ГЭС не предполагает больших капиталовложений и может быть построена за счёт средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, предпочтительна с экологической точки зрения, в частности, не требуется создание больших водохранилищ и, соответственно, больших площадей затопления [98]. В России имеется достаточно крупная научно-техническая и промышленная база, высококвалифицированные кадры, способные развивать малую гидроэнергетику [13, 90, 92, 93, 95, 99 - 106 и др.]. В стране успешно работает целый ряд предприятий, производящих оборудования для малых ГЭС. Наиболее известными из них являются АООТ "НПО ЦКТИ" (г. Санкт- Петербург), АОЗТ «МНТО ИНСЭТ» (г. Санкт- Петербург), АО «ТЯЖМАШ» ( г. Сызрань), ОАО «ЭЛСИБ» (г. Новосибирск), ООО «МАГИ-Э» ( г. Москва), ПО «Стрела» ( г. Оренбург), Научно-производственное объединение «РАНД» ( г. Санкт- Петер бург) и ряд других [96]. Любые гидроэлектростанции представляют собой сооружения, преобразующие энергию водяного потока, потенциальную (плотинные и деривационные ГЭС) или кинетическую (свободнопоточные ГЭС) в энергию электрического тока, обязательной составляющей которых является гидротурбина и генератор. С этой точки зрения основным параметром ГЭС, аналогично ВЭУ (1.1), (1.2) и СЭС (1.4), является её мощность, значения которой определяются не только параметрами водяного потока, но и зависит от конструкции гидротурбин, генераторов и других устройств. К числу последних относятся системы, используемые для передачи и преобразования энергетических потоков, системы управления этими потоками и накопления энергии. Значение мощности Р гидротурбины плотинных и деривационных ГЭС можно определить исходя из следующей зависимости [40, 86, 90, 100, 105 и др.]:. 29 P = pgHQfl, (1.5) где p - плотность воды, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с ; Н - напор гидротурбины, м; Q - расход воды, м /с; 3 Л-КПД ГЭС. Для свободно поточных ГЭС, мощность и энергия которых определяется скоростью водяного потока, с учётом известных соотношений, определяющих баланс кинетической и потенциальной энергии замкнутой системы, а также зависимость расхода жидкости Q от скорости V её истечения через сечение заданной площади S, выражение (1.5) можно записать в виде [86, 88, 104]: P = 0.5p S V ii. 3 (1.6) В общем случае в выражениях (1.5) и (1.6) параметры Н, Q и V зависят от географического расположения ГЭС, времени года, климатических условий и очень многих других факторов. На практике в качестве их значений используют средние значения, полученные в результате обработки данные многолетних наблюдений [40]. Для оценки экономической эффективности малых ГЭС могут быть использованы следующие показатели [100, 107]: - удельная стоимость 1 кВт установленной мощности МГЭС или приведённые годовые затраты на 1 кВ установленной мощности; - себестоимость 1 кВтчас выработанной электроэнергии МГЭС, определяемая в соответствии с зависимостью; - удельная стоимость 1 кВт-час выработки электроэнергии МГЭС, то есть размер затрат, приходящийся на каждый выработанный в среднем году киловатт-час и определяемый как частное от деления капиталовложений гидростанций на годовую выработку гидростанции (по среднему году); - стоимость 1 кВт-час выработанной электроэнергии МГЭС, то есть стоимость, взимаемая с потребителя за один отпущенный киловатт-час. В некоторых работах [11, 63, 108, 109] в качестве косвенной оценки эффективности электростанции на основе ВИЭ предлагается использовать коэффициент её экономической эффективности, срок окупаемости и другие показатели. Наибольшее влияние на показатели экономической эффективности МГЭС оказывает сумма капиталовложений, затраченная на её строительство или реконструкцию. Эта сумма складывается из стоимости строительных работ (возведение плотины и здания ГЭС), основного оборудования (гидроузлы, турбины, генераторы и другое), вспомогательного электрического оборудования (устройства управления, компенсации и защиты), проектно-изыскательных работ, в ряде случаев увеличение затрат на период строительства [86]. Структура капиталовложений на возведение и реконструкцию малых ГЭС плотинного и деривационного типов представлена в таблицах 1.3 и 1.4. Структуры капиталовложений на МГЭС свободнопоточного типа отличается от структуры капиталовложений МГЭС плотинных и деривационных типов. Основное отличие - отсутствие расходов на возведение плотин и зданий ГЭС, а так же существенное снижение затрат на период строительства из-за более коротких сроков их ввода в эксплуатацию [64,102, 104]. Таблица 1.3 - Структура затрат на строительство МГЭС 1.5 Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии Одной из важнейших проблем проектирования и эксплуатации электростанций, работающих на базе альтернативных источников энергии, в данном случае - ВЭС, СЭС и МГЭС, является проблема изначально не постоянного значения мощности, вырабатываемой ветродвигателем, фотоэлектрическим преобразователем или турбиной гидростанции [11, 13, 14, 41,42, 45-51, 76, П О - 119 и др.]. Энергия, вырабатываемая ВЭУ, как следует из соотношений, приведённых в разделе 1.2, связана со скоростью ветра в точке её расположения кубической зависимостью. Скорость ветра никогда не является постоянной величиной и может изменяться в очень широких пределах от нуля до значений намного превосходящих её средние показатели, для которых, как правило, и выполняется расчёт ВЭУ [11, 37 -54 и др.]. В результате, если в качестве источника электроэнергии используется только ветродвигатель, вести речь о надёжном электроснабжении потребителя не приходится. Количество электроэнергии, вырабатываемой ФЭП, прямо пропорционально мощности солнечного излучения [76, 84], значение которого в первую очередь за висит от географического положения точки расположения ФЭП и времени года (даты), а также характеристики подстилающей (отражающей) поверхности, рельефа (высоты над уровнем моря и закрытости горизонта) местности и климатических условий (см. раздел 1.3). В отличие от энергетического потенциала ветровой энергии в данный конкретный отрезок времени, потенциал солнечной энергии величина хотя и не постоянная [86], но в гораздо большей степени предсказуема и приближена к среднестатистическим данным, полученных путём многолетних наблюдений [13, 72, 73]. Учитывая, что в тёмное время суток солнечная инсоляция практически равна нулю, рекомендовать для постоянного электроснабжения потребителя только ФЭП, также как и ветродвигатели, не представляется возможным. Гидроэнергетический потенциал малых рек, пригодных для строительства малых ГЭС, как правило, сильно зависит от гидрологического сезона [14, 86, 89]. В средней полосе Европейской части России обычно выделяют четыре сезона: весна (половодье), лето (межень), осень (поводочный период), зима (межень). Минимальный расход воды в реке наблюдается зимой, поэтому этот период для гидроэнергетики считается лимитирующим. Некоторые из небольших рек в зимний период могут полностью перемерзать, а летом - пересыхать [14]. Соответственно их энергетический потенциал в данное время года оказывается нулевым. В тоже время многие из рек могут обеспечить определённое минимальное значение водяного потока в течение всего года и, тем самым в результате применения плотинных и деривационных МГЭС, обеспечить выработку электроэнергии гарантированно не ниже какого-то минимального значения. Таким образом, использование таких источников электроэнергии как ВЭУ, СЭС или МГЭС в минимальной комплектации, включающей в себя только преобразователь энергии (ветродвигатель с генератором, ФЭП или гидротурбина с генератором) и устройство преобразования параметров электрического тока к стандартным значениям (инвертор, стабилизатор), не в состоянии обеспечить качественное и гарантированно постоянное электроснабжение потребителя. Решение проблемы - применение для электроснабжения автономного потребителя энергетических комплексов или гибридных энергосистем (ЭК) использующих в качестве первичной энергии энергию ветра, солнца и водяногопотока малых рек [46 - 5 1 , 114-119идр.]. В данной работе не рассматривается ситуация, когда потребитель не является с точки зрения энергообеспечения автономным, то есть, подсоединён к электросети. Использование возобновляемой энергии при наличии сети позволяет избежать многих, если не всех, недостатков автономных систем. Сеть в этом случае будет являться как бы огромным накопителем, из которого можно брать или отдавать столько энергии, сколько необходимо. Однако не всегда подсоединение к сети является возможным или оправданным с экономической, а также экологической точки зрения [3, 11, 12, 16]. ВЭУ, СЭС и МГЭС - это далеко не полный перечень всех способов генерации электроэнергии, которые могут быть использованы при проектировании автономной электростанции. Разработаны и успешно используются в качестве источников электроэнергии бензин, дизельное топливо, природный газ. Существуют проекты, готовые разработки и успешно работающие системы преобразования в электроэнергию энергии сжигания биотоплива или предварительно произведённого из биотходов газа (биогаза), энергии термальных вод, энергии вод океанов и многие другие [106], исследование которых лежит за рамками диссертационной работы. Решение вопроса обеспечения надёжного и бесперебойного снабжения потребителя электроэнергией, полученной путём преобразования энергии ветра, солнца или водяного потока, выглядит на первый взгляд достаточно просто. Необходимо в состав автономной электростанции включить систему накопления энергии и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих работоспособность построенного таким образом ЭК. На рисунке 1.5 показана типовая блок-схема ЭК, применяемая для снабжения электроэнергией автономного потребителя. Источником электроэнергии в данном случае может выступать любая из систем, или их совокупность, переработки какого-либо вида энергии: ветра, солнечного излучения, потока воды, органического топлива и др. в энергию электрическую. Организация совместной работы генерирующих устройств осуществляется системой управления. За этой системой закреплены ряд функций, связанных с преобразованием электрической энергии, её стабилизацией, а так же взаимодействия с системой аккумулирования электроэнергии. Энергия не востребованная, сохранение которой в силу ограниченности ёмкости аккумуляторов не может быть осуществлено, сбрасывается в модуль "Нагрузка балластная", где она преобразуется, например, в тепло и рассеивается. Как правило, на выходе система управления выдаёт постоянный ток напряжением 12, 24 или 48 вольт, который посредством инвертора может быть преобразован в переменный, например, двухфазный напряжением 220 В (или трёхфазный напряжением 360 В) частотой 50 Гц. Рисунок 1.5 - Блок-схема энергетического комплекса В настоящее время известно достаточно большое количество способов аккумулирования энергии [121 -123], в числе которых следующие: - кинетическая энергия быстро вращающегося маховика; - потенциальная энергия упруго деформируемого тела; - тепловая энергия нагретого тела; - эндотермические обратимые реакции; - электрохимические обратимые реакции; - водородные станции. Каждый из способов аккумулирования электроэнергии имеет свои достоинства и недостатки. С технической точки зрения показателями эффективности аккумулятора принято считать его КПД и плотность сохраняемой электроэнергии, то есть мощность аккумулятора, отнесённую к его массе. В таблице 1.5 приведены количественные характеристики некоторых из устройств аккумулирования энергии [123]. Таблица 1.5 -Характеристики способов аккумулирования энергии Как следует из приведённых данных, лучшим на первый взгляд является способ использования излишков энергии для разложения воды на водород и кислород. Однако здесь следует учесть, что при расчёте показателей водородной станции не учитывалась масса баллонов, генераторов и ряда других устройств [123]. Использование в качестве аккумулятора потенциальной энергии воды довольно широко применяется как в крупных, так и малых в ГЭС. В настоящее время достаточно перспективным считается способ сохранения энергии, в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Этот способ в начале 20-го века был запатентован русским учёным А.Г. Уфимцевым [36, 37, 123] и реализован им при строительстве ВЭУ в городе Курске. Плотность сохраняемой энергии стальным маховиком составляет порядка 0.05 кВт-час/кг, применение современных материалов (углеродное волокно, кварцевое стекло) и новых технических решений, например, кольцевой маховик из специальных материалов, позволяет увеличить её значение почти на два порядка. Известны единичные решения использования для сохранения энергии потенциальной энергии сжатого воздуха, закаченного в подземные хранилища [51, 123]. В системах автономного энергоснабжения чаще всего применяют гелиевые химические аккумуляторы, которые не требуют обслуживания. Ёмкость их достигает 250 А-ч, а срок службы до 10 - 15 лет. Если рассмотреть какую-либо географическую точку, в которой предполагается разместить автономную электростанцию, то её энергетический потенциал будет складываться из энергетических потенциалов различных видов источников энергии: ветра, солнца, водяного потока, если такой есть, и других. Функция изменения потенциала каждого из перечисленных источников энергии во времени носит вероятностный характер. Её экстремумы в общем случае не совпадают. Так в средней полосе России приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в противофазе. Наиболее сильный ветер наблюдается в зимний период, в то время как максимальное значение солнечной инсоляции - летом. Максимальное значение потенциала рек приходится на весенний период, а минимальный - на зимний. Очевидно, что наиболее рациональным и надёжным вариантом автономной электростанции следуют считать энергетический комплекс, включающий несколько типов генераторов электроэнергии, систему её аккумулирования и систему управления (рисунок 1.5). Известны работы, посвященные расчёту и оптимизации параметров комплексов на базе двух ВИЭ: ВЭУ-ФЭП [43, 45, 48, 124], ВЭУ-МГЭС [51, 124], ФЭП-МГЭС [ПО, 124] и других [46, 47, 49, 50, 114]. В основе исследований, выполненных в этих работах, - математическая модель ЭК, связывающая параметры преобразователей ВИЭ и системы аккумулирования энергии, и их оптимизация, как однокритериальная, так и многокритериальная [51, 125]. На рисунке 1.6 приведена расчётная схема совместной работы ГЭС и ВЭС, разработанная A.M. Конищевым [51], которая, по мнению автора, наиболее удачно отражает суть данной категории исследований. Рисунок 1.6 - Расчётная схема совместной работы ГЭС и ВЭС Анализ данных рассмотренных выше научных работ позволяет говорить о двух группах критериев оптимизации: - энергетические: максимальная мощность ЭК, минимальное отклонение мощности, вырабатываемой ЭК, от заданной потребителем; - экономические: стоимость ЭК, себестоимость 1кВтч электроэнергии, срок окупаемости ЭК. Параметрами оптимизации могут являться как отдельные характеристики, определяющие конструкцию ЭК, так и его структуру. В основе выполнения большинства расчётов лежат методы теории вероятности и математической статистики, системного анализа, численного моделирования, оптимизации и теории управления [125-134]. 1.6 Основные задачи исследования Использование электростанций, работающих на базе альтернативных источников энергии, для электроснабжения автономных потребителей, задача, безусловно, актуальная и ее* решению посвящен целый ряд исследований. Анализ литературных источников позволил выделить следующие основные направления таких исследований: - определение энергетического потенциала территории, на которой предполагается размещение электростанций. Результаты этой работы систематизированы, опубликованы [13, 59, 60] и доступны для широкого использования; - определение параметров электростанции при её жёстко определённой структуре: один или два (ВЭУ и ФЭП, ВЭУ и МГЭС, ФЭП и МГЭС) преобразователя возобновляемой энергии и система аккумулирования энергии. Учитывая, что энергетический потенциал конкретной точки местности в достаточно сильной степени зависит от её рельефа и ряда других факторов, использование в качестве исходных данных средних для территории её расположения, не всегда оправдано. Требуется разработка научно обоснованной методики их коррекции. При решении вопроса о структуре электростанции, наилучшие результаты могут быть получены путём оптимизации системы, включающей одновременно несколько преобразователей (ВЭУ, ФЭП, МГЭС), аккумулирующую установку и непосредственно потребителя, параметры которого, если это допустимо, также могут быть оптимизированы. Компьютерная реализация изложенного подхода может оказаться незаменимой, при решении вопросов связанных с проектированием и строительством электростанций на базе альтернативных источников энергии. Таким образом, могут быть сформулированы следующие задачи диссертационного исследования: 1. Разработка методики определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС. 2. Разработка математической модели электроснабжения в системе, включающей ветроэнергетические, солнечные фотоэлектрические установки, малые ГЭС и потребителя. 3. Создание технологии имитационного моделирования и соответствующего программного обеспечения работы системы «Электрогенерирующии комплекс на базе альтернативных источников энергии - предприятие ограниченной мощности» (ЭК-П). 4. Разработка методики расчёта структуры и оптимальных параметров систем альтернативной энергетики, построенных на базе ветроэнергетических, солнечных фотоэлектрических установок, малых ГЭС и её* компьютерной реализации. |