CC BY
144
улице Ферсмана, 4. За 2010 год экономия тепловой энергии, потребляемой жителями дома, составила 38.5 % от годового потребления на сумму более 370 тыс. руб.
2. Удельные показатели потребления энергии и воды в указанном доме ниже нормативных, установленных для Мурманской области и сопоставимы с нормативами зарубежных стран.
3. Несмотря на достигнутые результаты в доме еще имеются потенциальные резервы энергосбережения. Это установка индивидуальных приборов учета холодной и горячей воды и двухставочных электросчетчиков, а также создание дополнительных стимулов для экономии энергоресурсов администрацией города и законодательными органами власти.
Литература
1. Котомкин В.Н. Энергосберегающие мероприятия в жилом доме № 22 по улице Ферсмана Мурманской области. ИКЬ: http://www.barentsenergy.org
2. Апатитская ТЭЦ. ИКЬ: http://www.tgc1.ru/production/complex/kolsky-
ЬгапсЫара^кауа-Лрр
3. Победоносцева В.В. Механизм инвестирования в региональном энергетическом комплексе: автореф. дис. ... канд. экон. наук. Апатиты, 2011. 24 с.
4. Инвестиции в энергоэффективность. Устранение барьеров. ИКЬ: http://www.energosovet.ru/stat542p3/html.
Сведения об авторах
Коновалова Ольга Евгеньевна
старший инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А Эл. почта: konovalova@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.313.33
Е.Е.Горбачев, П.Ю.Грачев
АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ РОССИИ
Аннотация
Рассмотрены перспективы применения различных автономных источников возобновляемой энергетики в системах электроснабжения фермерских хозяйств. Основное внимание уделено системам с микроГЭС.
Ключевые слова:
автономные источники электроэнергии, электроснабжение, микроГЭС, фермерские хозяйства.
E.E.Gorbachev, P.Yu.Grachev
AUTONOMOUS SOURCES OF RENEWABLE ENERGY IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF FARMS IN RUSSIA
Abstract
In the article possibilities of using various autonomous sources of renewable energy for power supply systems of farms are considered. The basic attention is given systems including micro hydroelectric power station.
Keywords:
autonomous power sources, power supply systems, micro hydroelectric power stations, farms.
В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70% территории страны. До сих пор достаточно часто можно встретить населенные пункты без электроснабжения, при этом не всегда расположенные на Крайнем Севере или в Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки в таких районах, которые вряд ли назовешь неблагополучными с точки зрения энергетических ресурсов. Поэтому важное место в стратегии развития электроэнергетики уделяется развитию автономных систем электроснабжения (АСЭ). Указанные системы используются почти во всех отраслях народного хозяйства. Их крупнейшими потребителями являются топливо-энергетический, агропромышленный и машиностроительный комплексы страны. Необходимость в АСЭ возникает там, где технически невозможно или экономически невыгодно использовать централизованное электроснабжение. Это труднодоступные объекты, удаленные от крупных электрических сетей, имеющие собственные источники первичной энергии, например, газовые и нефтяные месторождения. АСЭ также находят широкое применение в промышленности, строительстве, сельском и коммунальном хозяйствах - там, где нет источников первичной энергии в виде газа или нефти. Они существуют на предприятиях, в аэро-, морских и речных портах, в энергоблоках больниц, в фермерских хозяйствах, в виде систем аварийного электроснабжения, на объектах оборонного комплекса - везде, где необходима электроэнергия, а сеть или удалена, или работает с перебоями. При этом в качестве источников электропитания АСЭ используют или привозные энергоносители (бензин, солярку и т.п.), или возобновляемые энергоресурсы (ветровые и водные потоки, солнечную энергию и т.п.) [1]. Последнее экономически и экологически более выгодно.
Рассмотрим АСЭ сельскохозяйственных объектов с источниками электроэнергии, использующими возобновляемые энергоресурсы.
«Мировая практика доказала, что собственное сельское хозяйство необходимо для того, чтобы страна чувствовала себя уверенно, независимо», -отмечает первый заместитель председателя Комитета Госдумы по аграрным вопросам Айрат Хайруллин [2]. Согласно проекту Федерального закона № 111730-5 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» предприятия, занимающиеся разработкой и внедрением устройств и созданием помещений, энергоемкость которых в полном объеме обеспечивается за счет вторичных и возобновляемых энергетических ресурсов, могут рассчитывать на государственную поддержку в виде субсидий из федерального бюджета.
Наиболее перспективными источниками возобновляемой энергетики для сельского хозяйства являются малые и микроГЭС, а также ветроэлектрические
установки (ВЭУ) и солнечные электростанции (СЭС) с дизельным резервом [3]. Применение ВЭУ и СЭС в возобновляемой энергетике сельского хозяйства достаточно подробно рассмотрено в статье В.А.Гусарова [4], поэтому основное внимание направим на АСЭ с микроГЭС, причем для конкретного рассмотрения выберем АСЭ семейной молочной фермы.
С 2005 г. в стране действует нацпроект «Развитие АПК», направленный на восстановление численности молочного стада и увеличение объемов производства молока и молочной продукции. Учитывая европейский опыт, с конца 2009 г. Минсельхоз начал новый проект - семейные молочные фермы. Молочно-товарные фермы с поголовьем менее 400 голов относятся к потребителям II категории надежности электроснабжения. Согласно ПУЭ, данные потребители должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаиморезервирующих источников электроэнергии. Более того, перерыв в электроснабжении доильного зала не должен превышать 0.5 ч. Поэтому наиболее целесообразно в качестве источника гарантированного электропитания выбрать установку с двумя микроГЭС.
Одной из первоочередных задач при проектировании объектов фермерских хозяйств является выбор районов их размещения. Большинство предгорных районов обладает достаточным гидро- и ветроэнергетическим потенциалом, чтобы обеспечить бесперебойное энергоснабжение фермерских хозяйств. Одним из районов, удовлетворяющих условиям размещения семейной молочной фермы, является район Лооского лесхоза (Кавказ).
Для применения в качестве источников ВЭУ необходима средняя скорость ветра не менее 6 м/с.
Среднегодовая скорость ветра, м/с
По данным «Справочника по климату СССР» осреднением за 50 лет на 5.9
высоте 16.5 м
По данным Северо-Кавказского гидрометеоцентра за последние 15 лет 4.3
на высоте 16.5 м
По данным КЛ8Л за последние 10 лет (спутниковые наблюдения) на высоте 10 м 3.81
на высоте 50 м 4.82
на высоте 100 м 5.35
Опираясь на данные ветромониторинга, проведенного инжиниринговой фирмой Harrad&Hassan (Великобритания) в 2008 г., среднегодовая скорость ветра на высоте 70 м составила 6.8 м/с. Поэтому применение ВЭУ можно признать рискованным.
В данном районе протекает река Шахе (рис.1), которая характеризуется уклоном 0.04. Среднемесячный расход воды представлен в табл. [4].
Энергопотребление фермы обусловлено распорядком дня (рис.2). Максимум нагрузки составляет 61.6 кВт по активной мощности и - 69.7 кВА по полной мощности. Таким образом, полная мощность источника должна составлять не менее 70 кВА. Общий коэффициент мощности cosфоб = 0.884. Годовое число часов максимальной нагрузки 7957 ч.
Максимально допустимое падение напряжения должно составлять не более 5%. Таким образом, максимальные потери полной мощности составят 5% (3.648 кВА). Следовательно, мощность источника питания должна быть выбрана с учетом этих потерь и должна составлять 64 кВт (80 кВА). При среднем коэффициенте полезного действия гидротурбины 80% мощность потока воды приходящаяся на один источник должна быть не менее 100 кВт.
Рис.1. Карта для оценки гидроэнергетического потенциала участка
Среднемесячные напоры и мощности потока воды
Месяцы Расход, м3/с V ВБ, м V НБ, м Напор, м
Январь 26 137.96 123.94 14.019
Февраль 27 137.98 123.98 14.01
Март 34 138.14 124.19 13.944
Апрель 52 138.53 124.76 13.776
Май 48 138.44 124.63 13.813
Июнь 29 138.03 124.04 13.991
Июль 16 137.74 123.63 14.113
Август 13 137.68 123.54 14.141
Сентябрь 12 137.66 123.51 14.15
Октябрь 20 137.83 123.76 14.075
Ноябрь 25 137.94 123.91 14.028
Декабрь 31 138.07 124.1 13.972
Рассматривая среднемесячные расходы реки (см. табл.), а также сравнивая высоты верхнего и нижнего бьефов, можно определить среднемесячные напоры и мощности потока воды реки Шахе.
Мощность потока воды определяется по формуле ЫП = pgQHСТ [5],
где р = 1000 кг/м3 - плотность воды; g = 9.81 м/с2 - ускорение свободного
падения; Q - расход; НСТ - статический напор.
Для оценки минимальной мощности водного потока примем Q=12 м3/с (минимальный среднемесячный расход).
Таким образом, мощность потока
3
ИП = 1000• 9.81-^-.12 — -14.2 м = 1.66 МВт . м с с
Рис.2. Суточный график потребляемой мощности
Следовательно, мощности напора достаточно для круглогодичной работы двух гидроагрегатов микроГЭС фермерского хозяйства.
Разработан проект АСЭ с двумя гидроагрегатами в качестве источника гарантированного электроснабжения потребителей семейной молочной фермы. Система позволяет в случае выхода из строя одного гидроагрегата осуществлять электропитание фермы от другого.
Рассмотрим методику выбора генераторов для гидроагрегатов. Возможно выполнение генераторов этих агрегатов на базе синхронных и асинхронных машин. Достоинства синхронных машин в том, что они не требуют дополнительных источников реактивной мощности, которые, в случае асинхронных машин, представляют собой батареи конденсаторов или вентильные источники реактивной мощности [6]. Однако применение двух синхронных машин может привести к неустойчивости работы АСЭ при значительных сбросах и набросах нагрузки (по технологическому процессу молочной фермы возможно одновременное включение трех двигателей мощностью 14 кВт).
В качестве альтернативных решений могут быть предложены гидроагрегаты с разнотипными электрическими машинами: синхронным
генератором и асинхронным - короткозамкнутым ротором. В этом случае синхронный генератор является источником реактивной мощности для асинхронного генератора и нагрузок индуктивного характера. К недостаткам такого варианта можно отнести завышенную полную мощность синхронного генератора и его работу с низким коэффициентом мощности. Также возможно использование двух асинхронных генераторов с емкостным возбуждением. Такой вариант имеет минимальную стоимость, но характеризуется пониженной устойчивостью (возможно развозбуждение генераторов).
Вариант с применением асинхронных вентильных генераторов [6] является наиболее перспективным. Вентильные источники реактивной мощности имеют звено постоянного тока, к которому могут быть подключены накопители электроэнергии постоянного тока или дополнительные источники (СЭС, ВЭУ или источники на водородных топливных элементах и т.п.).
Выводы
1. При проектировании АСЭ фермерских хозяйств требуется расчет потенциала всех типов возобновляемых энергоресурсов в предполагаемом районе расположения ферм. Необходимо также учесть возможность выхода из строя одного автономного источника системы электроснабжения.
2. Наиболее перспективными генераторами источников АСЭ фермерских хозяйств являются асинхронные вентильные генераторы, позволяющие подключить дополнительные источники постоянного тока.
Литература
1. Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.
2. Росс. газ. [Экономика. Агропромышленный комплекс]. 2009. № 4909 (85). 14 мая.
3. Гусаров В. А. Автономное электроснабжение сельских потребителей с применением возобновляемых источников энергии и дизельного резерва // Наукоёмкие технологии. 2011. № 5.
4. Северный Кавказ. Описания отдельных рек и озер / ред. Ю.Е.Яблоков // Ресурсы поверхностных вод СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1972.
5. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. М.: Машгиз, 1961.
6. Асинхронные вентильные генераторы и стартер - генераторы для автономных энергоустановок / М.Л.Костырев, П.Ю.Грачев. М.: Энергоатомиздат, 2010.
Сведения об авторах
Грачев Павел Юрьевич,
доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника»
Самарского государственного технического университета, д.т.н.
Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Тел.: (846) 2784-311, (846) 3370-937; факс (846) 2784-400; эл. почта: pgrachov@mail.ru Горбачев Евгений Евгеньевич,
аспирант Самарского государственного технического университета,
Россия, 443100, Самара, ул. Первомайская, 18, ауд. 201 Тел.: (846) 3370-937; эл. почта: gorbachev_e_e@mail.ru
