Статья поступила в редакцию 30.01.12. Ред. рег. № 1195 The article has entered in publishing office 30.01.12. Ed. reg. No. 1195
УДК 621.311.24
МАСШТАБИРУЕМЫЕ ГИБРИДНЫЕ ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: (912) 317-1805, факс: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.02.12 Заключение совета экспертов: 15.02.12 Принято к публикации: 20.02.12
В статье приведено описание гибридных ветро-солнечных конструкций энергоустановок и возможности их применения.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика, солнечная энергетика, гибридные системы.
SCALING HYBRID SMALL POWER WIND-SOLAR UNITS
E.V. Solomin
South-Urals State University 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Referred: 10.02.12 Expertise: 15.02.12 Accepted: 20.02.12
The article describes the hybrid wind-solar designs of power stations and possible applications. Keywords: wind power, renewable energy sources, turbines, alternative energy, solar power, hybrid systems.
Введение
Развитие возобновляемой энергетики в развитых странах до конца XX века в основном было основано на наращивании единичной мощности отдельно взятой энергоустановки, работающей на сеть, которая достигла в ветроэнергетике 6 МВт, в гелиоэнергети-ке 25 МВт, биоэнергетике 11 МВт, геотермальной энергетике 9 МВт. Тем не менее, практика свидетельствует о том, что с ростом энергопотребления, наращиванием генерирующих мощностей и разветв-ленности сети количество отказов и веерных отключений также неизбежно растет. Ряд климатических изменений, результатом которых явились сильнейшие ураганы и природные катаклизмы, приводит к периодическим отключениям крупных электрических сетей на долгое время. Более того, по ряду причин мировые магистральные сети серьезно устарели. В России износ электросетей составляет в среднем более 55%, тепловых сетей до 70%, газовых магистралей до 80%. Аналогичная ситуация наблюдается в США и Китае.
При наличии крупных генерирующих мощностей потери при передаче электрической и тепловой энергии составляют от 25 до 80%. Однако потребитель оплачивает полную стоимость производимой энергии с учетом потерь. Более того, наличие потерь означает фактически бесполезный выброс парниковых газов в атмосферу, что наносит непоправимый вред всем живущим на планете. Кроме этого, рост энергопотребления значительно опережает наращивание строительства новых генерирующих мощностей, что в совокупности с фактами, приведенными выше, приводит к энергодефициту. Необходимо отметить, что в основном закупкой, монтажом, обслуживанием и ремонтом магистральных энергосетей вынуждено заниматься государство на деньги налогоплательщиков. Практика показывает, что во всех странах мира такая система является не в полной мере эффективной.
Таким образом, основными проблемами энергетики являются:
- высокие темпы роста потребления, превышающие темпы ввода генерирующих мощностей;
- недостаточная надежность схем внешнего энергоснабжения крупных городов и удаленных потребителей;
- нарастающий физический износ действующего генерирующего оборудования и сетей;
- технологически и морально устаревший парк производственного оборудования в энергетике;
- расширение малоэтажного строительства, увеличение энергопотребления за счет расширения ассортимента электроприборов различного применения;
- высокий уровень потерь в электрических и тепловых сетях;
- высокий уровень удельных расходов топлива на производство электрической и тепловой энергии.
Избегая передачи энергии на дальние расстояния, можно не только сократить потери, но и снизить риск зависимости от магистральных сетей. Поэтому малая энергетика выгодно характеризуется не столько уровнем мощности и степенью износа оборудования, сколько близостью к потребителям. Одной из серьезных альтернатив существующей «коммунальной» системе поставки электрической и тепловой энергии потребителям является индивидуальная поставка энергии от источников, расположенных в непосредственной близости или внутри инфраструктуры потребителей. В связи с этим в мире, в том числе и в России, наблюдается тенденция перехода на локальные источники энергии, как электрической, так и тепловой. Практически все крупные предприятия сегодня имеют свои котельные. Ряд предприятий имеет свои электрогенерирующие мощности на газе или мазуте. В последнее время в многоэтажных и частных жилых домах применяются мини-котельные, работающие на местное теплоснабжение. Таким образом, наблюдается явное стремление потребителя к обособлению и независимости от централизованного теплового и электроснабжения. Одним из вариантов локализации энергогенерирующих мощностей является внедрение энергоснабжения на основе генераторов с двигателями внутреннего сгорания или возобновляемых источников энергии. Практика показывает, что энергоснабжение на основе бензиновых или дизель-генераторов является ненадежным, поскольку не может обеспечить круглосуточный график энергоснабжения в связи с особенностями данных агрегатов, а возобновляемые источники энергии отличаются относительной непредсказуемостью появления (ветер имеет неустойчивые параметры, интенсивность солнечного света снижается при наличии облаков и т.д.). Преимущество же агрегатов, использующих возобновляемые источники энергии, заключается в том, что для них не требуется топливо. Газовые генераторы можно эффективно использовать фактически там, где подведены газовые магистрали. К тому же все меры по проведению газа являются временными в связи с ограниченными запасами голубого топлива.
В связи с вышесказанным организация энергоснабжения на основе возобновляемых источников
является одним из простейших решений проблем энергодефицита. Однако внедрение локальных или персональных энергогенерирующих мощностей неизбежно связано с расчетом надежности бесперебойного энергоснабжения потребителя. На заселенных территориях планеты, как правило, отсутствует возможность использования относительно постоянных возобновляемых источников энергии - энергии рек и геотермальных вод, а ветровая и солнечная энергия имеют прерывистый характер появления, хотя и доступны повсеместно. В большинстве случаев потребитель, исходя из локальных условий, принимает решение по использованию местного ветрового или солнечного потенциала. В связи с этим сегодня самыми динамично развивающимися направлениями в этой области являются именно солнечная и ветроэнергетика, дающие мировой прирост, соответственно, 23 и 30% в год.
Таким образом, на основании приведенных выше фактов одним из приоритетных направлений развития энергетики является разработка новых высокоэффективных автономных генерирующих мощностей на основе ветровой и солнечной энергии. Причем особое внимание должно уделяться гибридным системам, включающим использование ряда возобновляемых источников и обеспечивающим практически гарантированное энергоснабжение за счет дублирования и/или комбинирования источников энергии. Одним из наиболее доступных вариантов может являться гибридная ветро-солнечная установка, в которой ветроэнергетическая установка и батарея из солнечных модулей являются взаимодополняющими генерирующими системами.
Анализ рынка, конструкций и патентные исследования
Предварительный анализ рынка и патентные исследования выявили следующее:
1. Научная методология и стандартизация. В мире отсутствует системный научный подход и методологии разработки ветроэнергетических установок малой мощности для автономных потребителей. Разработка агрегатов ведется покомпонентно, без учета взаимовлияния элементов установки друг на друга. Например, проектирование ротора проводится без учета влияния вибродинамической реакции мачты и фундамента, генератор разрабатывается без привязки к системе отбора мощности, система управления не учитывает генерацию шума и вибраций и т.д. Существующие стандарты по ветроэнергетике (особенно в России) серьезно устарели и не отражают в полной мере требований к современным агрегатам. В связи с этим можно утверждать, что учение о методах, принципах и подходах к разработке целостных систем в малой ветроэнергетике отсутствует. Научный подход в комплексном применении малой гелио-энергетики также отсутствует, стандарты ориентированы на устаревшее оборудование, нет четкого обос-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
нования использования гибридных и когенерацион-ных установок. На основе опыта российских разработчиков в области разработки методик и методологии проектирования ветроэнергетических установок, солнечных модулей и энергосберегающего оборудования данная ниша может быть заполнена на мировом уровне. Безусловно, необходимо внесение соответствующих изменений в действующие стандарты РФ по ветроэнергетике и солнечной энергетике.
2. Техника и конкуренция. Исследования рынка [1] выявили наличие ветровых, солнечных и гибридных систем. Однако анализ предложений показывает, что в 80% случаев заявленная номинальная мощность не соответствует действующим стандартам (например, на установках китайского и американского производства мощность указывается на скорости ветра не 11 м/с, как это рекомендуется стандартами IEC (International Electrotechnical Commission), а 12, 15 и даже 20 м/с, что фактически отражает мощность в несколько раз ниже стандартного номинала; удельная выработка энергии берется без учета вероятностного распределения ветра и завышается порой в разы; солнечные модули могут поставляться на основе аморфного кремния с КПД ниже 8%, но при этом также указывается завышенная мощность и т. д.). Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ветроэнергетическими установками зачастую подменяется КПД (т.е. передачей энергии от ротора (ветроколеса) до потребителя) и превышает максимально возможный КИЭВ Бетца-Жуковского 0,593 (или по Сабинину 0,687). Удельная выработка энергии показ
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.