¡■rpîrsëèîsijspj's'jèjijseêèjs ycTàjJîaêè
WIND ENERGY W/ind-soJar energy plants
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНОГО ЦИКЛА
В.М.Андреев, А. Г. Забродский, С. О. Когновицкий
Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН ул. Политехническая, 26, г. Санкт-Петербург, 194021, Россия Тел.: +7-921-9771754; факс: (812) 2971017
Сведения об авторе: профессор, доктор техн. наук.
Образование: Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: физика полупроводников и солнечная фотоэнергетика.
Публикации: более 250 научных работ.
Андреев Вячеслав Михайлович
The article is devoted to the development of a next-generation hybrid autonomous power generation system used renewable wind-solar energy and hydrogen cycle of energy storage. The system is based on modern fuel cell with hydrogen fuel. The hydrogen is obtained by a process of water electrolysis and then accumulated in a storage system. The electric energy for the electrolysis is generated by the primary energy sources: an original solar battery with high efficiency and a wind turbine. The use of renewable energy sources and proven technologies make the system economically feasible, especially for remote area customers, such as radio relay towers and base stations for cellular networks. The development is realized with help of National Innovation Company «New Energy Projects».
Несмотря на развитие больших электрических сетей в стране, остается актуальной задача автономного электроснабжения. Масштаб проблемы можно оценить по тому факту, что примерно 70 % территории России с суммарным населением (по разным оценкам) от 10 до 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Состояние коммуникаций на таких территориях, как правило, не позволяет осуществлять регулярные и (или) рентабельные поставки топлива.
Решение данной проблемы может быть основано на использовании возобновляемых источников энергии — солнца и ветра, которые являются повсеместно доступными и привлекают относительной дешевизной, экологической чистотой, высокой безопасностью. Именно совместное использование солнечных и ветровых ресурсов позволяет существенно повысить на-
дежность гарантированного электроснабжения потребителя и расширить географию эффективного применения гибридных солнечно-ветровых энергоустановок.
В 1987 г. впервые была разработана гибридная солнечно-ветровая система электропитания для телерадиопередающей станции на мощность 250 Вт, которая более 10 лет проходила испытания на полигоне в предгорной зоне около города Чарвак Ташкентской области и показала высокий уровень надежности и хорошие эксплуатационные характеристики. В 1998 г. на основе этих данных в предгорной зоне Ташкентской области построен и введен в опытную эксплуатацию в августе 2000 г. гибридный солнечно-ветровой источник электроэнергии мощностью 5 кВт с аккумуляторными батареями с общей емкостью 1520 А/ч.
В настоящее время в мире насчитывается значительное количество компаний, поставляю-
Статья поступила в редакцию 23.03.2007 г.
The article has entered in publishing office 23.03.2007.
щих на рынок гибридные солнечно-ветровые энергоустановки различной мощности и назначения. Энергоустановки в основном выполняются на основе кремниевых солнечных батарей без концентраторов и электрохимических аккумуляторных батарей в качестве накопителей энергии.
Среди таких компаний можно указать: «Shell» (Великобритания) в кооперации с «Tss4U» (Нидерланды), «Orga» (Нидерланды) и «Proven Engineering» (Великобритания), «OkSolar Electric Power Company» (США), «Sun Wind Concepts» (США), «Maritech Marine» Ltd. (США), «Natural Technology Systems» (Австралия), «C Trade» (Шри-Ланка), The Hong Kong Polytechnical University (Китай), инженерно-техническая фирма «Доминус» (Украина) и др.
Особого упоминания заслуживает компания «Atlantic County Utilities Authority» (ACUA) (США), построившая в 2005 г. самую большую в мире гибридную солнечно-ветровую электростанцию мощностью 8 МВт, отдающую электроэнергию в сеть.
За последние десятилетия достигнут значительный прогресс в развитии технологий практического использования возобновляемых источников энергии. Это создает предпосылки для преодоления все еще существующих технических и экономических барьеров на пути их более широкого коммерческого использования.
Главной научно-технической проблемой создания эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии является проблема аккумулирования энергии в условиях их существенной нестабильности поступления (суточной, сезонной, погодной). Попытки решения этой проблемы за счет использования традиционных электрохимических аккумуляторов энергии приводят к необходимости создания чрезмерно больших аккумулирующих систем, что ведет к снижению надежности таких энергоустановок. В результате практическое применение сегодня находят гибридные системы, объединяющие солнечные и/или ветровые установки с бензиновыми или дизельными генераторами. Такие технические решения, однако, не позволяют в полной мере избавиться от присущих традиционным автономным энергоустановкам на органическом топливе недостатков: необходимости периодического завоза топлива, обслуживания, наличия выбросов продуктов сгорания, шума и др. [1, 2].
Как показывают отечественные и зарубежные исследования, наиболее перспективным является применение накопителей энергии на основе водородного цикла, состоящих из электролизера воды и аккумуляторов водорода (и, в отдельных разработках, кислорода). За счет электроэнергии, получаемой от первичных источников — солнечной батареи и ветроэлектрогенера-тора, в периоды низкого внешнего энергопотребления в результате электролиза воды может вырабатываться газообразный водород (и кислород). Накопленная в виде H2 (и O2) энергия может быть преобразована во вторичное электриче-
ство с помощью электрохимического генератора (ЭХГ) и отдана потребителю в периоды недостатка поступления энергии от солнца и ветра.
Водород представляет собой универсальный энергоноситель, обеспечивающий возможность долгосрочного и эффективного хранения и экологически чистого преобразования запасенной в нем энергии в электрическую, тепловую и другие виды энергии.
Таким образом, описанное выше техническое решение (применение водородного цикла) позволяет создавать автономные интегрированные энергоустановки «солнечная батарея/ветро-электрогенератор/электрохимический генератор (ЭХГ)» (ИСВЭУ), обладающие высокими потребительскими качествами: отсутствием потребности в завозе топлива, минимальными затратами на обслуживание, экологической чистотой, высокой надежностью гарантированного электроснабжения потребителя.
Такие энергоустановки могут быть востребованы для электроснабжения небольших удаленных населенных пунктов, фермерских хозяйств, телекоммуникационных станций, систем военного назначения, мобильных систем МЧС, в том числе походных госпиталей, автономных научных и метеорологических станций, маяков и т. п. Характеристики интегрированных энергетических установок позволяют осуществлять питание радиорелейных и базовых ретрансляционных станций сотовых операторов и, таким образом, занять нишу автономных систем питания телекоммуникационных систем.
Несмотря на перспективность интегрированных солнечно-ветровых энергоустановок с водородным циклом накопления энергии (ИСВЭУ), в настоящее время в мире отсутствует их промышленный выпуск. В то же время ведутся интенсивные исследования и разработки подобных энергоустановок, создаются и испытываются их опытные образцы.
Например, с 2002 г. проходит опытную эксплуатацию ИСВЭУ с накоплением водорода в городе Ел-Хаммам в Египте. На основе полученных с ее помощью экспериментальных данных была отработана логика построения электронно-электротехнической системы управления и распределения потоков электроэнергии от отдельных источников для обеспечения максимальной энергетической эффективности и качества выходного напряжения [3].
В США выполнен цикл теоретических расчетов и компьютерного моделирования автономной ИСВЭУ с накоплением водорода, рассчитанной на электроснабжение «типичного» американского дома. Была выполнена оптимизация конфигурации и параметров отдельных энергосистем интегрированной установки для обеспечения заданного уровня выходной мощности при минимальных стоимости электричества и установки в целом [4].
Под эгидой Американской национальной водородной ассоциации была разработана и испытана ИСВЭУ, включавшая в свой состав две сол-
нечные батареи по 1 кВт, два ветроэлектрогене-ратора по 1,5 кВт и ЭХГ на основе протонопро-водящих мембран мощностью 2 кВт. Было определено, что такая интегрированная установка может производить электроэнергию стоимостью не дороже 2,5 $/кВт-ч [5].
В российских исследовательских организациях также имеется значительный задел в теоретическом анализе и компьютерном моделировании ИСВЭУ с учетом климатических и потребительских особенностей [1, 2], а также в разработке отдельных систем и агрегатов, которые могут быть использованы в качестве базовых компонентов интегрированной энергоустановки.
Исходя из изложенного выше, представляется целесообразным продолжение системных исследований и разработок в области комбинированного использования возобновляемых источников энергии и водородных технологий, которые могут привести к созданию коммерчески привлекательных автономных интегрированных энергоустановок.
По инициативе НИК «Новые энергетические проекты», при ее поддержке и участии, совместно с Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе РАН в настоящее время ведутся работы по разработке и созданию первой в России интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с водородным циклом накопления энергии, основанной на самых передовых на данный момент научно-технических решениях. Планом работ предусмотрены создание и натурные испытания опытных образцов ИСВЭУ, а также разработка параметрического ряда ИСВЭУ, учитывающих особенности потребления электроэнергии типичными потребителями и оптимизирован
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.