CC BY
8TECHNICAL SCIENCES
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Грищук А.К.,
кандидат технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Национального транспортного университета, Киев, Украина,
Мельниченко А.И., кандидат технических наук, профессор, ученый секретарь,
Национального транспортного университета, Киев, Украина,
Аль-Аммори Али, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-аналитической деятельности и информационной безопасности,
Национального транспортного университета, Киев, Украина,
Дяченко П.В., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры компьютерных наук и системного анализа, Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, Украина,
Верховецкая И.Н.
аспирантка кафедры информационно-аналитической деятельности и информационной безопасности,
Национального транспортного университета, Киев, Украина,
RENEWABLE ENERGY EFFICIENCY
Hryshchuk O.K.,
Candidate of Science in Engineering, Professor Vice-Rector for Academic Work, National Transport University, Kyiv, Ukraine Melnychenko O.I., Candidate of Science in Engineering, Professor
Scientific Secretary, National Transport University, Kyiv, Ukraine
Al-Ammouri Ali, Doctor of Technical Sciences, Professor Head of the Department of Information Analysis and Information Security,
National Transport University, Kyiv, Ukraine
Dyachenko P. V., PhD, Associate Professor
Associate Professor of the Department of Computer Science and Information Technology Management,
Cherkasy State Technological University, Cherkasy, Ukraine
Verkhovetska I.N.
postgraduate student, Department of Information Analysis and Information Security,
National Transport University, Kyiv, Ukraine
Аннотация
В статье рассматриваются значения и роль таких рентабельных источников, как использования энергетики потоков воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла зеленых недр и особенно энергии солнца. Большого внимания уделяется продлении таких возбнавляемых источников энергии, как энергии солнца и ветра, которые являются практически неисчерпаемыми источниками. Оценивается реальная эффективность при условии, если используется большие комплексы маломощных источников энергии ветра и солнца с автоматизированным управлением на основе микропроцессорной техники. Abstract
The article deel with discusses the significance and role of such profitable sources as the use of energy from the flow of water and wind, ocean tides and heat, the heat of the green interior, and especially the energy of the sun. Much attention is paid to the extension of such renewable energy sources such as solar and wind energy, which are practically inexhaustible. Real efficiency is assessed, provided that large complexes of low-power sources of wind and solar energy are used with automated control based on microprocessor technology.
Ключевые слова: автоматизированое управление, солнечная энергия, ветровая энергия, эффективность, возобновляемые источники энергии, преобразование энергии.
Keywords: automated control, solar energy, wind energy, efficiency, renewable energy, energy conversion.
Введение. Возобновляемые источники энергии, к которым относятся ветер и солнечное излучение, находят все более широкое применение в современном мире, поскольку это направление решает одновременно проблемы энергетики и экологии.
Предложенные направления развития возобновляемых источников энергии одновременно решают три глобальные и актуальные проблемы:
1. Экологическая проблема человечества. Глобальное потепление на планете в первую очередь связано с загазованностью воздуха и обуславливает большие эпидемии заболеваний людей.
2. Энергообеспечение экономики и бытовых проблем проживания человечества.
3. Значительное увеличение рабочих мест, связанных с передовыми технологиями и требуют рабочих высокой квалификации.
Согласно расчетам, проведенных ООН относительно окружающей среды, глобальные инвестиции в энергетику с нулевым парниковым эффектом достигают около 1.9 трлн. долларов. Почти 2 млн. человек во всем мире заняты в новых ветро- и солнечно- энергетических отраслях. В Германии в ближайшие годы ожидается четырехкратное увеличение инвестиций в экологические технологии и к 2030 году на них придется 16% выпускаемой продукции, а рабочих будет занято больше чем в автомобильной промышленности [1].
Основные направления возобновляемой энергетики: фотоэнергетика - 50%, ветроэнергетика -30%, тепловая солнечная энергетика - 15% .
Возобновляемая энергетика ежегодно растет на 30% — 50%, а ее развитие объявлено приоритетным направлением во всем мире.
На современных тепловых электростанциях используют только 30 % тепла, а остатки выбрасываются в окружающую среду.
Основная часть. Использование энергии солнца приведет к приоритету децентрализованного производства и использования энергии.
На Украине есть возможность использовать 50 млн.кв.м. для коллекторов гелиоустановок.
Основные параметры фотоэлектрических модулей:
1. Номинальная мощность фотоэлектрической части (при солнечном излучении
1000 Вт/м ) 60Вт;
2. Напряжение постоянного тока в режиме короткого замыкания = 20.4В;
3. Величина тока короткого замыкания
I = 4А.
4. Срок использования 30 лет.
Для эффективной работы фотоэлектрических модулей желательно было бы иметь систему автоматической ориентации на солнце (солнечный трекер). При этом добыча электроэнергии от фотоэлектрической батареи можно увеличить в 1.5 — 2 раза.
Традиционно наиболее распространенной, еще с древних времен, считается энергия ветра, которая на территории российской империи использовалась для помола зерна. Число ветровых мельниц достигало 200 тыс. экземпляров. Это были деревянные мельницы с четырьмя лопастями, средней мощности 3.5кВт. Ветряки перемолювалы за год 3.4 млн. тонн зерна.
Ветровая энергия широко использовалась еще 150 лет назад. На рис.1. показано как потом эта возобновляемая энергия заменилась энергией добывающего угля, нефти и газа.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
% -ВИЭ - Уголь
\
\
N \ ■ ■ ■ Гидро
V
/ \ / --— _ . 4 •» ч
г' * \ *
s S S ч *
У ✓
----- —---- "■=—-'------ . — ' — "
L——- Г"
год
1850 1875 1900 1925
1950
1975
2000
Рис.1. Исторические изменения потребления энергии во всемирном энергоснабжении
Традиционные источники энергии имеют 2 основные недостатки:
1 . Традиционные ресурсы не восстанавливаются, имеют ограниченный срок использования, и уже сейчас существует необходимость поиска новых методов производства энергии.
2. Использование традиционных ресурсов для получения энергии приводят к значительным экологическим последствиям и загрязнению окружающей среды.
Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) почти не вызывает негативных экологических последствий, или такие явления сводятся к минимуму при правильной организации охраны труда и соблюдения технологических норм[2].
Возобновляемые источники энергии имеют следующие преимущества:
1. Практически неисчерпаемым источником энергии, их потенциал постоянно восстанавливается, и поэтому срок использования неограничен.
2. Не требуют значительных затрат на добычу, перевозку и переработку топлива.
3. Почти не влияют на окружающую среду, не имеют экологически опасных побочных эффектов, не влияют на здоровье человека.
Наряду с преимуществами ВИЭ имеют несколько важных недостатков, которые в настоящее время ограничивают их широкое использование:
1. Малая плотность потока энергии, необходимы большие поверхности для переработки ВИЭ в практически необходимых масштабах.
2. Значительная неравномерность выработки энергии ВИЭ в зависимости от времени, суточной периодичности и времени года, что требует применения сложных и дорогостоящих систем аккумулирования энергии или дублирования мощностей за счет традиционных энергоресурсов.
3. Неравномерность расположения источника ВИЭ, поэтому они могут широко использоваться только в наиболее благоприятных по концентрации районах.
Поскольку ветры малой мощности существуют на большей территории Украины и более длительный срок, чем ветры большой мощности, то целесообразно применять большое количество маломощных ветроэнергетических установок (ВЭУ) чем одну ВЭУ большой мощности. Например, если взять n маломощных ВЭУ, каждая из которых имеет мощность Pi, и сравнить их с большой мощностью P одной большой ВЭУ (пусть эта мощность P будет равна сумме мощностей малых
n
ВЭУ, т.е. P = ^P), то количество энергии
En = Pf„ от ВЭУ большой мощности за время f ее работы при мощных ветрах может быть значительно меньше относительно энергии Em от маломощных ВЭУ, которую можно определить в соответствии с формулой [2, 3]:
n
Em = ХPt, ,
i=1
где f. - время работы маломощной ВЭУ; n -количество маломощных ВЭУ. Это объясняется тем, что t время работе ВЭУ большой мощности
будет меньше по сравнению с общим временем работы маломощных ВЭУ, т.е.:
n
к <Ъ,.
,=1
Кроме того, ВЭУ большой мощности требуют значительных затрат на эксплуатацию. Большое количество маломощных ВЭУ может быть расположена комплексами непосредственно на крышах высоких зданий и даже внутри зданий в крупных городах. В условиях бурного развития электроники и микропроцессорной техники использование большого количества маломощных ВЭУ может быть полностью автоматизирован, что несомненно обеспечит значительно меньшие экономические затраты при их использовании.
Таким образом, согласно экономической эффективности лучше иметь большое количество маломощных ВЭУ, расположенных непосредственно на крышах высоких зданий и даже внутри зданий в крупных городах, по сравнению с ограниченным количеством крупных ВЭУ, расположенных на больших площадях сельскохозяйственных угодий вдали от крупных городов и промышленных центров. Целесообразно поучиться у Матушки Природы. Большое количество малых пчел способны собрать большую массу полезного меда из большого количества маленьких цветков. Конечно, одна большая пчела, если бы она существовала, не была бы способна собрать такое большое количество полезного нектара из маленьких цветков.
Для обеспечения непрерывного снабжения электроэнергии из солнечного излучения и ветра целесообразно создавать комплексы, состоящие из четырех частей:
1. Маломощные ветряные установки (МВУ), в которых для повышения скорости ветра (это означает повышение мощности) можно использовать концентраторы ветровой энергии различных типов.
2. Солнечные панели с концентраторами солнечного излучения различных типов и использования устройств оптимального наклона солнечных панелей относительно направления солнечного излучения.
3. Аккумуляторы электрической и тепловой энергии в зависимости от потребностей.
4. Микроконтроллеры для рационального непрерывного управления предложенным комплексом в режиме реального времени.
Согласно данным статистических исследований в течение года в среднем солнечных дней в Киеве 273, в частности зимой 53, весной 73, летом 89, осенью 58. Учитывая тот факт, что солнце светит не более 12 часов в сутки, в среднем можно подсчитать, что солнце светит в Киеве в течение года 3504 часов. Поскольку общее количество часов в течение года составляет 8760 часов, то можно утверждать, что среднее статистическое значение вероятности рс появления солнечного излучения в течение года может быть вычислено следующим образом рс = 35048760= 0.4 . Аналогично
можно подсчитать согласно данным исследований на метеостанциях в Киеве количество часов в течение года, когда существует рабочий ветер со скоростью, начиная с 3 м / сек и выше равно 6137 часов.
При этом среднестатистическое значение вероятности рв существования ветра в г. Киеве на протяжении года будет следующим Рв = 613^8760= 0.7 .
Конечно, указанные среднестатистические значения вероятностей рс и рв приблизительные и определяются со степенью доверия примерно 95% в соответствии с нормальным законом распределения среднестатистических данных. Более того, если определить такие среднестатистические вероятности течение отдельных месяцев, то они будут существенно отличаться от среднестатистических значений вероятностей в год. Несмотря на это такими оценками можно пользоваться для определения исходных данных с целью создания алгоритма работы предложенной структуры комплекса устройств для использования энергии ветра и солнечного излучения.
Так с учетом приведенных значений рс = 0.4
, рв = 0.7 можно определить вероятность Рвс
совместного существования энергии ветра и солнечного излучения относительно формулы:
Рвс = 1 "(1 - Рв )•(! - Рс ) = 0,82
Можно определить также вероятность, Ра когда должны работать только одни аккумуляторы, если отсутствуют ветер и солнечное излучение вместе, то есть:
Pa =(1 - Pb )-(1 - Рс ) = 0.1!
При этом время Т работы только одних аккумуляторов при отсутствии ветра и солнечного излучения в течение года можно определить, если умножить общее количество часов t = 8760на вероятность Ра = 0.18, тогда срок работы только од-
ных аккумуляторов Та = t х р = 1577часов.
Таким образом, используя приведенные исходные данные, можно ориентировочно определить необходимую емкость аккумуляторов электрической энергии в предлагаемой комплексе.
Если разделить время Т использование
только аккумуляторов в течение года на п = 365 число дней в году, то можно получить среднее значение Тда срока использования аккумуляторов в течение суток, то есть:
Т 1577
Тда = — =___= 4,3 часа
n 365
Таким образом, при совместном использовании энергии маломощных ветров и солнечного излучения в пределах Киевской области, аккумуляторы могут работать в среднем 4.3 часа в сутки в течение года.
Если использовать только энергию маломощных ветров, то в отношении приведенных данных нетрудно подсчитать, что аккумуляторы должны работать 2628 часов в течение года, или в среднем 7.2 часа в сутки.
Аналогично, если использовать только энергию солнечного излучения, то для непрерывного обеспечения потребителя электроэнергией аккумуляторы должны работать 5256 часов в течение года, или в среднем 14.4 часов в сутки.
Таким образом, при использовании только энергии маломощных ветров срок использования аккумуляторов течение суток увеличивается в 1.7 раза, а при использовании только энергии солнечного излучения, суточный срок использования аккумуляторов увеличивается в 3.3 раза.
Учитывая тот факт, что стоимость использования аккумуляторов значительно выше по сравнению со стоимостью использования энергии ветра и солнечного излучения, то эффективность существенно повышается благодаря совместному использованию возобновляемых источников энергии.
Выводы
1. Анализ энергетического обеспечения человечества настойчиво подсказывают о необходимости немедленного широкого внедрения возобновляемых источников энергии ветра и солнечного излучения.
2. Теоретические исследования показывают об эффективности создания большого количества комплексов маломощных ветровых и солнечных установок под управлением современной вычислительной техники.
3. Широкое применение маломощных комплексов возобновляемых источников энергии одновременно и эффективно решает две наиболее важные проблемы человечества: экономическую и экологическую совместно.
Список литератури
1. Соченко П. С. Електромобшь - порятунок нашо! чудово! планети Земля / П. С. Соченко, К. М. Сидоренко, Аль-Амморi Ал. - К. : Наук. свгг, 2012. - 75 с.
2. Б. Т. Бойко, Г. С. Хрипунов. Гелиоэнерге-тика - будущее Украины - НТУ ХПИ, 2000г.
3. Справочник по вероятностным расчетам / Т.Т. Абезгаус, А.П. Тронь, Ю.Н. Копенкин и др. -М.: Воениздат, 1989. - 656 с.
