CC BY
69
УДК 620 9 В.П. Степаненко
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Рассмотрены перспективы применения в горной промышленности нетрадиционных возобновляемых источников НВНЭ и комбинированных энергосиловых установок КЭСУ. Использование современных КЭСУ с возобновляемыми (альтернативными) источниками энергии позволит повысить экологическую безопасность, снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30-50%, продлить вдвое срок службы аккумуляторных батарей и уменьшить их емкость на горном транспорте. Комбинированные энергосиловые установки КЭСУ с суперконденсаторами целесообразно изготавливать в передвижном и стационарном исполнениях. Передвижные КЭСУ размещать на участках добычи полезных ископаемых, стационарные использовать для питания электроэнергией жилых поселков, мастерских обогатительных фабрик и других объектов. Для достижения этих целей необходима модернизация систем электроснабжения горных предприятий, в первую очередь, удаленных от высоковольтных электрических сетей, питающихся в настоящее время от автономных электростанций с поочередно работающими дизель-генераторными установками. Ключевые слова: горная промышленность ресурсосбережение, экологическая безопасность, возобновляемые источники энергии, энергосиловые установки, энергоэффективность, суперконденсатор, аккумуляторная батарея, дизельное топливо.
До настоящего времени в России не вступил в силу Закон РФ «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». К сожалению, отсутствие соответствующей законодательной базы существенно тормозит повышение энергоэффективности отечественной энергетики, промышленности и транспорта и решение этой проблемы по-прежнему является актуальной задачей
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 185-194. © 2017. В.П. Степаненко.
[1—14]. В ряде стран (Германии, Нидерландах и др.) применение НВИЭ в последнее десятилетие стремительно увеличивается. Мировое потребление энергии из возобновляемых источников в 2006 г. достигало 5%, в 2010 г. - 16,7%, в 2013 - 21% и продолжает расти [3-5].
НВИЭ — это источники низкопотенциальной энергии окружающей среды, солнечной, ветровой, геотермальной, энергия морских приливов и волн, биомассы, гидроэлектростанции ГЭС и ветряные электрические установки ВЭУ мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт. У каждого вида источника энергии имеются свои преимущества и недостатки. Преимущества НВИЭ по сравнению с традиционными источниками энергии: экологическая чистота, повсеместная распространенность большинства их видов, низкие эксплуатационные расходы и отсутствие платы за их использование. В некоторых случаях системы, использующие энергию из нескольких источников, являются лучшим техническим решением, чем присоединение к электрическим сетям. Такие системы не требуют больших затрат на передачу электроэнергии, стимулируют использование энергосберегающих технологий и экологически более безопасны.
В комплект поставки входят ветряные или солнечные генераторы электрической энергии, электронные преобразователи, контроллеры, инверторы и аккумуляторные батареи. Срок службы комплектующего оборудования различный: солнечные панели 35—40 лет, ветрогенератор горизонтальный ВЭУ, контроллер гибридный и инвертор — 15—20 лет. Наименьший срок службы у дизельных двигателей и аккумуляторных батарей -от 3 до 7 лет. В системах с ВЭУ до 40% стоимости комплекта составляют горизонтальные ветрогенераторы. При частом изменении направления ветра рекомендуется установка вертикальных ветрогенераторов, которые в 2-3 раза дороже горизонтальных.
В настоящее время в России НВИЭ примененяются для электроснабжения жилых помещений. Мощность установок для питания небольших жилых домов и поселков колеблется от 0,6 кВт до 30 кВт, запас энергии от 5 кВтч до 133 кВтч. При наличии одной дизель-генераторной установки в случае остановки дизельного двигателя электрическая энергия может поступать из аккумуляторной батареи, что уменьшает расход дизельного топлива. При неработающем дизельном двигателе аккумуляторная батарея может заряжаться от ветрогенератора или от
солнечной батареи. По сравнению с использованием системы из двух дизельных генераторов снижение затрат может составлять от 30 до 70%. Анализ показывает, что аккумуляторные батареи при длительных 2—3 кратных и пиковых 5—7 кратных перегрузках не смогут обеспечить устойчивое электроснабжение. Для устранения этого недостатка необходимо применять комбинированные накопители энергии, в состав которых входят суперконденсаторы КДЭС и аккумуляторные батареи [1—12]. Низкие удельные показатели мощности и энергии, изменение параметров во времени заставляет создавать НВИЭ с большой площадью приемных поверхностей солнечных и ветровых установок, протяженные плотины приливных электростанций и т.д. Дневная удельная производительность солнечной фотоэлектрической батареи на широте г. Волгограда (50° с.ш.) равна примерно 2 кВтч/м2 в сутки, удельная мощность от 80 до 250 Вт/м2. Фотоэлектрические батареи используют 14—18% от поступающей к ним солнечной энергии. КПД солнечных вакуумных коллекторов гораздо выше и достигает 70—85%, т.к. коллекторы используют не только световую, но и тепловую энергию солнца и концентрируют ее. Один солнечный вакуумный коллектор и пять солнечных фотоэлектрических панелей отдают примерно одинаковое количество энергии, но цена вакуумного коллектора в три раза меньше суммарной цены пяти фотоэлектрических панелей. К системам горячего водоснабжения с вакуумными солнечными коллекторами необходимо подключать источник электрической энергии для подогрева и прокачки теплоносителя электрическим насосом. Вакуумные коллекторы являются одним из типов КЭСУ, они потребляют два вида энергии: в среднем 70% солнечной энергии и 30% электрической. Такие КЭСУ, состоящие из солнечных коллекторов и электронагревателей, в 2,5 раза дешевле дизельных и почти в два раза дешевле чисто электрических установок. В пассивных системах горячего водоснабжения электрическая энергия не требуется, солнечный коллектор и бак с водой объединены в единую систему «солнечного водонагревателя». Такая система дешевле, проста по своей конструкции и легко устанавливается. Ее основной недостаток — низкая эффективность использования зимой в холодном климате.
ВЭУ имеют высокую эффективность при размещении их на территориях, прилегающих к незамерзающим морям и океанам. Существенным недостатком ВЭУ является нестабильность развиваемой ими мощности вследствие изменчивости направления
и силы ветра во времени. Этот недостаток можно скомпенсировать, если в автономной системе электроснабжения объединить достаточно большое количество ветряных и солнечных генераторов, то средняя их мощность будет постоянной.
Использование солнечных и ветряных НВИЭ с аккумуляторными батареями в качестве накопителя энергии без резервного источника питания неэффективно. В случае нескольких безветренных дней аккумуляторная батарея без подзарядки может разрядиться настолько, что система вообще перестанет вырабатывать электрическую энергию. В качестве резервного источника можно использовать дизель-электрический генератор, солнечные панели и суперконденсаторы. Солнечные панели и суперконденсаторы не требуют топлива и расходов на содержание, сохраняют свои паспортные параметры в широком температурном диапазоне от + 50 °С до -50 °С. В табл. 1 приведены результаты сравнения в относительных единицах капитальных и эксплуатационных затрат и стоимости 1 кВтч энергии трех источников: дизельного топлива, электрических сетей и солнечных вакуумных коллекторов.
На рисунке приведена принципиальная электрическая схема КЭСУ системы автономного электроснабжения. В схеме к автономному источнику электрической энергии G (дизель-генераторной установке или к ветровому генератору) подключен трехфазный мостовой управляемый выпрямитель VS1— VS6. Параллельно к выходу выпрямителя VS1— VS6 подключены солнечная панель GL и аккумуляторная батарея GB. Схема накачки энергией супреконденсатора С, представленная на рис. 1, работает на принципе электромагнитного дросселя. В схему накачки входят
Принципиальная электрическая схема системы автономного электроснабжения: G — ветряной (дизельный) генератор; М — асинхронный электродвигатель; VS1—VS6 трехфазный мостовой выпрямитель; VS7—VS12 трехфазный мостовой инвертор; Тр — трансформатор; GB — аккумуляторная батарея; GL — солнечная батарея, УТр УТ2 — биполярные транзисторы с изолированным затвором; L — электромагнитный дроссель с сердечником; С — суперкоденсатор
ЮВТ — биполярные транзисторы с изолированным затвором УТ1 и УТ2, электромагнитный дроссель с стальным сердечником L. При отпирании транзистора УТ1 энергия из солнечной и аккумуляторной батарей запасается в дросселе L. Суперконденсатор С подключен к входу инвертора напряжения, собранного на тиристорах УS7—УS12. Накопление электрической энергии в дросселе L происходит до заданного значения максимального тока (например, 1тах = 3000 А). Затем транзистор УТ1 размыкает цепь тока в дросселе. Одновременно с запиранием УТ1 открывается транзистор УТ2 и очередная порция энергии, запасенной в дросселе L, поступает в суперконденсатор С. Вследствие этого напряжение на суперконденсаторе повышается на некоторую величину. Частоту и продолжительность циклов отпирания и запирания транзисторов УТ1 и УТ2 задает блок управления. К выходу инвертора подключен трансформатор Тр, к вторичной обмотке которого могут подключаться различные потребители добычного и жилищно-коммунального комплексов.
Из анализа табл. 1 следует, что наибольшие капитальные и эксплуатационные затраты и наихудшие технико-экономическое показатели присущи дизель-генераторным электрическим станциям. Наименьшую стоимость электроэнергии и низкие эксплуатационные затраты обеспечивают солнечные коллекторы. Однако вакуумные солнечные коллекторы характеризуются большими материалоемкостью и капиталовложениями по сравнению с традиционными электрическими сетями. Эксплуатационные затраты при использовании солнечных вакуумных коллекторов примерно в два раза ниже, чем при питании от электрических сетей и дизель-электрических генераторов. Стоимость 1 кВтч энергии, полученной от солнечных вакуум-
Таблица 1
Технико-экономическое сравнение различных видов источников энергии
Источник энергии Относительные затраты Стоимость 1 кВтч энергии
капитальные эксплуатационные
за 10 лет за 20 лет
Дизельное топливо 1,0 1,0 1,0 1,0
Электрические сети 0,13 0,75 0,63 0,95
Солнечные вакуумные коллекторы 0,8 0,5 0,43 0,32
ных коллекторов, примерно в 3 раза ниже, чем при питании от электрических сетей и от дизель-генераторных установок.
Расчеты показывают, что использование комбинированных энергосиловых установок, состоящих из дизель-генераторных электростанций и возобновляемых источников энергии, позволит снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30—50%
В табл. 2 представлены параметры перспективного для применения в районах Крайнего Севера суперконденсаторного модуля МЛСК-130-57, разработанного ООО «ТЭЭМП», г. Москва.
Основным преимуществом модуля МЛСК-130-57 является высокая запасаемая удельная мощность (более 11 кВт/кг) и сохранение паспортных параметров при температурах до минус 50 °С, что было достигнуто благодаря применению специально разработанного органического электролита.
Суперконденсаторные модули МЛСК-130-57 могут найти широкое применение в горной промышленности. В табл. 3 приведена оценка потребной энергоемкости и количество модулей МЛСК-130-57 для открытых и подземных горных работ.
Таблица 2
Параметры суперконденсаторного модуля МЛСК-130-57
№ пп Параметр Величина
1 Рабочее напряжение 130 В
2 Емкость 57 Ф
3 Запасаемая энергия 0,5 МДж / 0,150 кВтч
4 Номинальная мощность, 84 кВт
5 Максимальная мощность 560 кВт
6 Масса 50 кг
7 Габаритные размеры 1200x450x310 мм
8 Объем 0,167 м3
9 Рабочая температура - 50 °С......+ 65 °С
10 Степень защиты корпуса 1Р65
11 Ресурсы, циклы 100 000
12 Срок службы 10 лет
13 Тип электролита органический
14 Изготовитель ООО «ТЭЭМП», Москва
Таблица 3
Энергоемкость суперконденсаторных накопителей энергии КДЭС для горных предприятий
Оборудование Энергоемкость, МДж Количество модулей МЛСК-130-57, шт.
Подъемные установки 60 000 120 000
Подземное аварийное освещение шахт и рудников 17 500 35 000
Аварийное освещение карьеров 50 000 100 000
Жилые комплексы 40 000 80 000
Автономные электростанции 20 000 40 000
Рудничные электровозы 15 000 30 000
Рудничное тяговое электроснабжение 50 000 100 000
Тяговые агрегаты 40 000 80 000
Автосамосвалы с электроприводом 7500 15 000
Система тягового электроснабжения карьеров 50 000 100 000
ВСЕГО 350 000 700 000
Для улучшения показателей КЭСУ предлагается использовать комбинированный накопитель энергии, состоящий из аккумуляторной батареи ЭХН и КДЭС, а для подзаряда накопителей применять НВИЭ [3—5]. В расчетах параметров КЭСУ энергоемкость суперконденсаторов была принята равной 2% от энергоемкости аккумуляторных батарей. В системах аварийного питания шахтного подъема КЭСУ должны обеспечивать не менее двух циклов «спуск-подъем» клетьевого подъема и развивать мощность не менее 2000 кВт. Энергоемкость КДЭС накопителей в системе освещения подземных горных выработок должна быть достаточной для обеспечения периодического заряда индивидуальных головных светильников подземных рабочих в течение не менее трех суток. Суммарная потребность горной промышленности в КДЭС накопителях составляет 350 000 МДж. Для удовлетворения этой потребности потребуется 700 000 модулей МЛСК-130-5. На открытых горных работах, как показывает опыт Соколовского карьера в Чехии, разработ-
ка и освоение производства новых высокопроизводительных и энергоэффективных комбинированных тяговых агрегатов обходится гораздо дороже, чем переоборудование на рудоремонтных предприятиях серийных тяговых агрегатов в комбинированные. Для переоборудования следует выбирать тяговые агрегаты, находящиеся в эксплуатации менее 15—20 лет, механическая часть которых пригодна для дальнейшей эксплуатации. На отечественных карьерах для переоборудования можно рекомендовать тяговые агрегаты НП-1 [5].
Выводы
1. Снизить на горном транспорте расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30—50%, повысить экологическую безопасность, продлить срок службы аккумуляторных батарей и уменьшить их емкость возможно при использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии НВИЭ.
2. Стоимость 1 кВтч энергии, полученной от солнечных вакуумных коллекторов, примерно в 3 раза ниже, чем при питании от электрических сетей и дизель-генераторных установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степаненко В. П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 128—137.
2. Степаненко В. П. Определение параметров накопителей энергии комбинированных энергосиловых установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 166—174.
3. Степаненко В. П. Применение возобновляемых источников энергии и суперконденсаторов на открытых горных работах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 175—182.
4. Степаненко В. П. Применение в горной промышленности КЭСУ с возобновляемыми источниками и накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 138—146.
5. Степаненко В. П. Перспективы применения в горной промышленности нетрадиционных возобновляемых источников и комбинированных накопителей энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 10. - С. 93-104.
6. Степаненко В.П., Сорин Л.Н. Актуальность ресурсо- и энергосбережения подземных рудничных локомотивов с комбинированными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 323-328.
7. Степаненко В. П., Белозеров В. И. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок горнотранспортных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 2. -С. 174-181.
8. Степаненко В. П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 11. — С. 322—328.
9. Степаненко В. П., Белозеров В. И., Сорин Л. Н. Перспективы применения комбинированных накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 317-322.
10 Белозеров В.И., Степаненко В.П. Потребность создания карьерных локомотивов с накоплением энергии // Горная промышленность. - 2014. - № 5. - С. 76.
11. Степаненко В.П., Сорин Л.Н. Энергоэффективность подземной локомотивной откатки с гибридными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 6. -С. 135-140.
12. Степаненко В. П. Повышение энергоэффективности и ресурсосбережения рудничного электровозного транспорта. Вгсник Криворiзького национального ушверситету. Випуск 42. Украина. -2016. - С. 20-25.
13. Шевлюгин М. В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и в метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. - М.: МГУПС (МИИТ), 2009. - С. 51.
14. Денщиков К. К. Комбинированные энергетические установки на основе суперконденсаторов / Конференция ОВИТ РАН «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение». Москва, 22-26 марта 2008 г. -М., 2008. ü^re
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: valestepanenko@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 620.9
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 185-194. V.P. Stepanenko
ANALYSIS OF APPLICATION PROSPECTS IN THE MINING INDUSTRY RENEWABLE AND COMBINED ENERGY STORAGE
The prospects for application in the mining industry, renewable, NVNA and combined power plants CASE. The use of modern CASE with renewable (alternative) energy sources will improve environmental safety, reduce the consumption of diesel fuel and lubricants is not less than 30-50%, extend twice the service life of batteries and reduce their capacity by mountain transport. Combined power installation CASE with supercapacitors it is advisable to make in mobile and stationary versions. Mobile CASE place in the areas of mining, stationary use to supply electricity to the residential villages, workshops, processing plants and other facilities.
To achieve these goals, the modernization of power supply systems of mining companies in the first place, far from the high-voltage electrical networks that feed at the present time from the Autonomous power plants with alternately operating diesel generator sets.
Key words: mining industry resource conservation, environmental safety, renewable energy, power installation, energy efficiency, supercapacitor, battery, diesel fuel.
AUTHORS
Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences,
Senior Researcher, e-mail: valestepanenko@yandex.ru,
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 128-137.
2. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 166-174.
3. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 175-182.
4. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 138-146.
5. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 10, pp. 93-104.
6. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 323-328.
7. Stepanenko V. P., Belozerov V. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 2. S. 174-181
8. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 11, pp. 322-328.
9. Stepanenko V. P., Belozerov V. I., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5. S. 317-322.
10 Belozerov V. I., Stepanenko V. P. Gornayapromyshlennost'. 2014, no 5, pp. 76.
11. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 135-140.
12. Stepanenko V. P. Visnik Krivoriz'kogo natsional'nogo universitetu. 2016, no 42, pp. 20-25.
13. Shevlyugin M. V. Resurso- i energosberegayushchie tekhnologii na zheleznodorozzh-nom transporte i v metropolitenakh, realizuemye s ispol'zovaniem nakopiteley energii (Resource- and energy-saving technologies in railway transport and in the subways that are implemented with the use of energy storage), Doctor's thesis, Moscow, MGUPS (MIIT), 2009, pp. 51.
14. Denshchikov K. K. Konferentsiya OVIT RAN «Rezul'taty fundamental'nykh issle-dovaniy v oblasti energetiki i ikh prakticheskoe znachenie». Moskva, 22-26 marta 2008 g. (The conference OVIT of RAS «Basic research in the field of energy and their practical value», Moscow, 22-26 March 2008), Moscow, 2008.
