CC BY
16
ISSN 2542-1468, Лесной вестник /Forestry Bulletin, 2021. Т. 25. № 1. С. 100-108. © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021
Биотехнология и химическая переработка древесины Гибридное энергообеспечение...
УДК 621. 31. 004. 14 DOI: 10.18698/2542-1468-2021-1-100-108
ГИБРИДНОЕ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ ЖИЛЫХ ПОСЕЛЕНИЙ В РФ
В.П. Галкин1, А.А. Горяев2, Н.Б. Баланцева2, О.А. Калиничева2, А.А. Калинина1, А.В. Сиротов1, Я.В. Тарлаков1, М.С. Усачев1
1МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), 141005, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д. 1 2ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», 163002, г. Архангельск, Наб. Северной Двины, д. 17
vgalkin@mgul.ac.ru
Рассмотрен пример использования возобновляемых источников энергии в условиях населенного пункта Архангельской обл., типичного для средней полосы России. Проанализирована возможность использования энергии ветра и солнца для обеспечения электроэнергией бытовых потребителей на примере одного дома жилой площадью 60 м2. Приведены расчеты и определены параметры ветроустановки, солнечных батарей и аккумуляторов, исходя из обеспечения электроэнергией от ветроустановки и аккумулятора, поскольку в несолнечное время и безветренные дни, как правило, работает солнечная батарея. На основе проведенных расчетов определены параметры и выбран инвертор для предложенной системы электрообеспечения.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, дизель-генератор, электроснабжение, электротехника, возобновляемые источники энергии, ветроустановка, солнечная батарея, аккумуляторы
Ссылка для цитирования: Галкин В.П., Горяев А.А., Баланцева Н.Б., Калиничева О.А., Калинина А.А., Сиротов А.В., Тарлаков Я.В., Усачев М.С. Гибридное энергообеспечение жилых поселений в РФ // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2021. Т. 25. № 1. С. 100-108. DOI: 10.18698/2542-1468-2021-1-100-108
Больше половины территории России, на которой проживает около 20 млн чел., не обеспечены централизованным электроснабжением. Эту функцию в различных районах страны выполняют многочисленные дизель-генераторы. Для их работы необходимы постоянные поставки дизельного топлива, что иногда связано с некоторыми сложностями. В северные районы, на острова, а также в удаленные районы РФ доставка дизельного топлива осуществляется водным транспортом в период навигации, а это значительно повышает стоимость топлива, которое необходимо доставлять сразу на весь межнавигационный период. Поэтому в перечисленных районах устанавливают высокие тарифы на электроэнергию. К тому же практически половина российских населенных пунктов до сих пор не газифицирована, прежде всего, в связи с бескрайними просторами страны. В негазифицированных районах наиболее экономичным решением представляется гибридное энергообеспечение с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1, 2]. В РФ отмечается около 120 тыс. жилых поселений с количеством населения менее 200 чел. Энергетика для таких поселений, как правило, небольшой мощности, а обеспечение электро-и теплоснабжение от централизованных сетей требует строительства новых электрических, тепловых и газовых сетей большой протяженности, что достаточно затратно. Так, на прокладку электрических сетей затраты могут составить не менее 800.. .1000 тыс. руб./км, газовых — до 350 тыс. руб./км. Потери энергии в электрических сетях составляют от 20 до 30 %, в тепло-
вых — до 60 %, а плата за подключение — более 50 тыс. руб./кВт [3, 4]. Кроме того, повышение тарифов на углеводородное сырье, их ограниченный объем, проблемы экологии, в частности загрязнение окружающей среды, ухудшают условия жизни населения.
Цель работы
Цель работы — расчет гибридного энергообеспечения на основе совместного использования ВИЭ и традиционных источников, а также определение параметров и выбор инвертора для предложенной системы электрообеспечения.
Анализ литературных источников [1-4] показал, что ВИЭ рационально внедрять в населенных пунктах со среднегодовой скоростью ветра не ниже 5 м/с, среднемесячной солнечной инсоляцией в весенне-летний период 100.150 кВтч/м2, которые расположены вдоль берегов рек со скоростью течения воды 3 м/с и более. Кроме того, в этих поселениях должна быть возможность использования тепловых насосов для отопления помещений и горячего водоснабжения. В сельской местности, как правило, используют печное отопление, а в качестве топлива — дрова, популярны бани, где топливом также являются дрова. Для ежедневного нагревания воды в быту можно установить электрический водонагреватель емкостью 50.100 дм3. Электричество, кроме того, необходимо для питания бытовых электроприборов. Выбор схемы электроснабжения для таких случаев должен осуществлять муниципалитет и непосредственно жителями поселений. Если среднегодовая скорость ветра в
приземном слое атмосферы составляет 6.. .7 м/с, основой электроснабжения могут быть ветроуста-новки. При среднегодовой солнечной инсоляции 1100 кВт ч/м2 и выше основными могут быть солнечные модули. При быстром течении вод в реках используется малая гидроэнергетика. При необходимости отопления помещений и горячего водоснабжения применяют тепловые насосы или электрокотлы. Таким образом, комбинируя ВИЭ, можно сократить доставку дизельного топлива и угля на 80.100 %.
Материалы и методы исследования
Рассмотрим типичный пример для средней полосы России. Населенный пункт расположен на 62° с. ш. в Архангельской обл. Среднегодовая скорость ветра в приземном слое атмосферы на высоте флюгера 14 м составляет 4,4 м/с, на высоте 20 м — 4,8 м/с. Среднегодовая солнечная инсоляция 982 кВтч/м2. Дома деревянные бревенчатые, утепленные. Жилая площадь одного дома — 60 м2, высота потолков — 2,7 м. Объем помещений — 162 м3. Для отопления 10 м2 х 2,7 м = 27 м3 требуется 0,9 кВт, а всего 162 : 27 х 0,9 = 5,4 кВт. Отопительный период — 7 мес. Среднемесячные температуры в мае и сентябре — +8 °С. Возможные бытовые электроприборы в одном доме приведены в табл. 1.
Итого в сутки без отопления для имеющего бытового электрооборудования требуется 8,5 кВтч электроэнергии. С отоплением в течение 7 мес. суточная потребность в электроэнергии возрастает до 13,9 кВтч. В пиковые часы — с 6.00 и с 18.00 одновременно могут быть включены такие приборы, как холодильник (мощность 0,16 кВт), электрочайник, микроволновая печь и электромясорубка по очереди (1,5 кВт), лампы накаливания (0,1 кВт), водяной насос (0,2 кВт), электроплитка (1 кВт), телевизор (0,2 кВт). Всего потребуется примерно 3,2 кВт мощности. Однако если учесть замену печного вида отопления на другой дополнительно понадобится источник энергии мощностью 5,4 кВт или следует предусмотреть тепловой насос.
Результаты и обсуждение
В первую очередь рассмотрим возможность использования энергии ветра и солнца для обеспечения бытовых электроприборов без отопления (рис. 1).
Удельная мощность ветрового потока определяется по формуле [3]
N = 1,175** Вт,
ср>
(1)
где — площадь поперечного сечения ветрового потока, 1 м2; Уср — среднемесячная скорость ветра, м/с.
Годовая удельная энергия ветрового потока Жуд.п (энергия, протекающая за 1 год через 1 м2 поперечного сечения обитаемой площади) зависит от повторяемости скоростей ветра, т. е. какую долю годового времени ^ ветер дул со скоростью V,
А 1=1
где к — число градаций ветра; Т — число часов в году, 8760 ч.
(2)
Таблица 1 Электробытовые приборы в одном доме Household appliances in a house
Наименование Количество Установленная мощность, кВт Продолжительность работы, ч./неделя Потребление энергии в неделю, кВтч
Холодильник 1 0,16 13,44 2,15
Стиральная машина 1 2,0 4,0 8,0
Утюг 1 1,0 2,0 2,0
Электрочайник 1 1,5 1,1 1,65
Микроволновая печь 1 1,5 1,1 1,65
Энергосберегающие лампы 10 0,1 2,8 0,28
Настольная лампа 1 0,01 0,14 0,0014
Водонагреватель 100 дм3 1 2,0 14 28
Водяной насос 1 0,2 1,4 2,8
Электромясорубка 1 1,0 0,56 0,56
Электроплитка 1 1,0 7 7,0
Телевизор 1 0,2 28 5,6
Компьютер 1 0,16 14 2,24
Итого - 10,83 59,44
Рис. 1. Автономное энергообеспечение солнечной батареи
и ветроустановки (с аккумуляторами) Fig. 1. Autonomous power supply of solar cell and wind turbine (with batteries)
Таблица 2
Метеорологические данные [1] и расчет мощности ветроустановки Meteorological data [1] and wind turbine calculation
Наименование Месяц года Год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Средняя месячная и
годовая температура атмосферного -12,4 -11,7 -7,1 1,2 8,2 13,6 16,5 13,7 8,2 1,6 -4,4 -9,9 1,3
воздуха, °С
Средняя месячная
и годовая скорость ветра на высоте флюгера 14 м, м/с 4,5 4,8 4,6 4,5 4,6 4,1 3,6 3,4 4,0 4,7 5,1 4,9 4,4
Удельная мощность
ветрового потока на высоте 14 м, 107 129 114 107 114 81 55 46 75 121 155 138 100
5 = 1 м2, Вт/м2
Удельная мощность
ветроустановки на высоте 14 м, 32 39 34 32 34 24 16 14 22 36 46 41 30
е = 0,35, 5 = 1м2,
П = 0,85, Вт/м2
Скорость ветра на высоте 20 м, м/с 4,9 5,2 5,0 4,9 5,0 4,4 3,9 3,7 4,3 5,1 5,5 5,3 4,8
Удельная мощность
ветрового потока на высоте 20 м, 137 164 146 137 146 99 69 59 93 155 194 174 131
5 = 1 м2, Вт/м2
Удельная мощность
ветроустановки на высоте 20 м, 48 57 51 48 51 35 24 21 33 54 68 61 46
5 = 1 м2, е = 0,35, Вт/м2
Месячная потребность в электроэнер- 264 238 264 255 264 255 264 264 255 264 255 264 3106
гии, кВтч
Количество штилевых дней, %/дни 1/0,3 2/0,5 2/0,6 3/2,7 2/1,7 1/0,3 2/0,6 3/2,8 3/2,7 2/0,6 1/0,3 2/0,6 2/7,3
Продолжительность дня, ч. 6 8,85 11,4 14,4 17,7 19,6 18,3 15,6 12,7 9,8 6,9 5,3 12,2
Скорость ветра, м/с 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Среднемесячная
удельная энергия
ветрового потока Ш,
при среднегодовой скорости ветра 4,8 м/с 0,048 0,56 3,9 9,4 20,6 32,4 37,7 36,4 35 18 9,3 8,6
на высоте 20 м,
(Вт-ч)/(м2-год), (см. рис. 3)
Зная среднегодовую скорость ветра, его вертикальный профиль и повторяемость скорости ветра, можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом районе.
Удельная мощность ветроустановки изолированного потребителя (^пв'у) определяется по формуле
Л^пву = 1,17^Ср8Пв.у, Вт,
где е — коэффициент мощности, 0,35; Пв.у — КПД ветроустановки, 0,85. Расчет приведен в табл. 2.
(3)
Ветроустановки, изготовляемые промышленностью, рассчитываются на номинальную скорость ветра (8.12,5 м/с). Удельная номинальная мощность определяется для того, чтобы подобрать марку ветроустановки, которые изготовляются промышленностью.
При среднегодовой скорости ветра на уровне флюгера 14 м — 4,4 м/с удельная мощность ветроустановки равна 30 Вт/м2. При расчетной скорости ветра 8 м/с удельная ее мощность равна 180 Вт/м2, а при расчетной скорости ветра 10 м/с — 349 Вт/м2.
На рис. 2, 3 представлено, как формируется годовая сумма удельной энергии ветра (площадь под кривой Wуд) при среднемесячной скорости ветра. Вследствие кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,6-1,8 раза.
При скорости ветра от 0 до 3 м/с ветроуста-новка не вырабатывает электроэнергию (табл. 3), поэтому она работает не круглый год. При среднегодовой скорости 4,4 м/с время работы ветроуста-новки составит 8760 • 0,793 = 6947 ч (290 дней). При среднегодовой скорости 4,8 м/с на высоте 20 м время ее работы составит 8760 ч • 0,859 ~ ~ 7353 ч (313,5 дней). Годовая потребность в электроэнергии Ег = 3106 кВтч. Количество электроэнергии, выработанное ветроустановкой в течение года (при Уг = 4,4 м/с), определяется по формуле
3106-290 „
■ = 2462 кВт • ч.
Е -т Е =-s—
ву 365
365
N -ву 24 • 290 • г|
24-290-0,85
Требуемая мощность воздушного потока (N0) составит
N,
_ NBy _ 0,42
0,35
= 1,2 кВт.
R =
Nn
1200
= 1,96 м; D ~ 4 м.
, 1,17-3,14-4,43 V 313
Определяем ометаемую площадь ветроколеса 5вк «вк = 0,785 • Э2 = 12,6 м2.
Мощность установленной ветроустановки (^уст) при расчетной скорости ветра Крас = 10 м/с
Ыуст = 0,5рвПв.у«вк • 103 • 10-3 = = 0,5 • 1,225 • 0,35 • 0,85 • 12,6 = 2,3 кВт.
При расчетной скорости ветра 12 м/с Л^уст = 4 кВт.
Покупать ветроустановку следует с учетом расчетной скорости ветра.
Рассмотрим расчет и подбор системы солнечной батареи. Выработка энергии солнечной батареей рассчитывается (см. табл. 2) по формуле Е Р -п
, инс с.б I (4)
к,-
где Есб — выработка энергии солнечной батареей, кВтч;
3 4 5 6 7 8 9 Скорость ветра V,-, м/с
10 11 12
Рис. 2. Повторяемость скорости ветра при высоте ветроко-леса 20 м
Fig. 2. Repetition of wind speed at 20 m wind wheel height
Средняя развиваемая мощность ветроустановки (Njj-y) рассчитывается следующим образом
2462 А „ = 0,42 кВт.
cd
В* — s s
я g
CL S & <
M /^S m S1
S H
5S-§ ^
£
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Скорость ветра v,-, м/с
Определяем радиус R ветроколеса (1 кВт = = 103 кгм2/с3)
Рис. 3. Распределение годовой удельной энергии ветра на высоте 20 м.
Fig. 3. Distribution of annual specific wind energy at 20 m height
Таблица 3 Повторяемость скорости ветра (по Поморцеву М.М.), % Repetition of wind speed (by Pomortsev M.M.), %
Скорость ветра, м/с Среднегодовая скорость ветра, м/с
1 2 3 4 4,4 4,8 5,2 5,5 5,7
0 25,4 10,0 5,7 3,5 2,9 2,3 1,8 1,5 1,3
1 41,0 23,0 11,8 7,2 6,0 4,8 4,5 3,9 2,1
2 25,1 29,6 19,4 12,2 11,2 7,0 6,3 6,3 3,9
3 7,5 23 22,7 16,5 14,5 14,5 10,2 9,8 9,0
4 1,0 10,0 19,5 18,5 17,1 14,7 14,2 13,0 12,2
5 3,8 12,0 16,5 16,5 16,5 16,0 15,2 13,0
6 0,6 6,0 12,2 13,4 15,0 15 15,0 15
7 2,2 7,2 8,2 11,0 12,4 13,0 13,3
8 0,7 3,6 5,4 7,1 8,7 9,7 9,0
9 1,7 2,7 4,8 5,1 6,2 6,9
10 0,6 1,2 1,8 2,6 3,5 6,0
11 0,3 0,5 0,7 1,3 1,9 2,9
12 0,5 0,6 1,1 1,3
13 0,3
Еинс—месячная инсоляция квадратного метра, кВтч/м2;
Рс.б — номинальная мощность солнечной батареи, заявленная потребителем, кВт;
П — КПД передачи электроэнергии по проводам , контроллера и инвертора, равный 0,8;
Ринс — максимальная мощность инсоляции с 1 м2 земной поверхности — 1 кВт (см. табл. 2).
Номинальная мощность солнечной батареи, требуемая для обеспечения необходимой месячной выработки электроэнергии рассчитывается по формуле
(5)
Р • Р
р _ инс с.б кВт гс.б -
Дше'Л
В несолнечное время суток (в среднем это 12 ч) с апреля по сентябрь электроэнергией должны обеспечивать аккумуляторы и ветроустановка. Кроме того, важно предусмотреть обеспечение электроснабжением на один штилевой день в период с апреля по сентябрь, т. е. 8,5 (кВтч)/сут.
Исходя из перечня бытовых электроприборов (см. табл. 1), определяем основные параметры инвертора для системы. Во-первых, поскольку в списке бытовых электроприборов есть устройства, имеющие в своем составе двигатели: холодильник, стиральная машина и т. д., необходим инвертор, имеющий на выходе синусоидальную форму напряжения. Во-вторых, входное напряжение инвертора должно соответствовать выбранному напряжению — не ниже 24 В в целях уменьшения токовой нагрузки на провода. Мощность инвертора принимается на 20 % больше максимальной среднечасовой нагрузки потребления. Выбираем мощность инвертера для дома с учетом потерь: 3,3 кВт • 1,2 = 3,96 кВт [5-11].
Выбираем инвертор мощностью 4 кВт, напряжением 24 В.
При расчете аккумуляторных батарей учитываются следующие особенности:
- разряжение аккумуляторов на большую «глубину разряда» приводит их в негодность, значительно сокращается срок службы;
- ориентироваться следует на 20-, 30 %-ю глубину разряда, а также на свинцово-кислотные аккумуляторы, поскольку они дешевле по сравнению с современными аналогами;
- исходя из безопасности при эксплуатации, рекомендуется использовать герметизированные аккумуляторы — не герметизированные при работе выделяют вредные для дыхания человека и взрывоопасные газы, а для их установки необходимо выбирать хорошо проветриваемое помещение;
- по эксплуатационным характеристикам для автономной системы наиболее подходят необслу-
живаемые гелевые аккумуляторы (GEL), хотя они не являются самыми дешевыми;
- важен уровень температуры окружающей среды для расчета необходимой емкости аккумуляторов, особенно если приходится их эксплуатировать в холодное время года, пониженная температура окружающей среды снижает емкость аккумулятора, т. е. его энергоемкость.
Кроме того, в ходе расчета важно знать некоторые тонкости.
В частности, количество штилевых последовательных дней следует принять за 1. При этом питание может быть только от солнечной, аккумуляторной батареи или дизельной электростанции. В безветренный день, как правило, работает солнечная батарея. В штилевые дни или часы, а их количество в году — 175 ч. (только в августе и сентябре), можно уменьшить количество аккумуляторов и как можно меньше включать электроприборы.
Если в штилевый день пасмурный, то емкость аккумуляторной батареи будет составлять 8500 Вт ч
12 В
= 708 А • ч.
Введем глубину разряда для аккумуляторной батареи — 30 %:
708 А-ч
-= 2360 А ■ ч.
0,3
Считаем, что аккумуляторная батарея находится в помещении с положительной температурой.
Номинальная емкость выбранного аккумулятора — 200 А ч, напряжение — 12 В.
Число аккумуляторов, соединенных параллельно:
2360 А-ч 110 -= 11,8 «12 шт.
200 А • ч
Число аккумуляторов, соединенных последовательно:
24В
-= 2 шт.
12В
Общее количество аккумуляторов:
12 • 2 = 24 шт.
Если установить аккумуляторы напряжением 24 В, то их количество уменьшится в 2 раза.
Рассчитаем количество фотоэлектрических модулей. Выбираем монокристаллический солнечный модуль мощностью 200 Вт, напряжением 24 В. Для расчета энергии солнечной батареи необходимо прежде всего определить солнечную инсоляцию региона, в котором будет эксплуатироваться система [12, 13] (табл. 4).
1. Суточная потребность в электроэнергии составляет 8500 Втч.
Таблица 4
Суммарная инсоляция и выработка электроэнергии солнечной батареей, кВт-ч/м2 при наклоне площадки 45° Total insolation and power generation by solar panel, kWh/ m2at the 45° inclination
Показатель Месяц года Год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Суммарная месячная инсоляция при наклоне площадки 45°, кВтч/м2 16,4 41 112 127,5 142 150 156 117 72 34 12 3,3 982
Месячная потребность электроэнергии, кВтч 264 238 264 255 264 255 264 264 255 264 255 264 3106
Месячная выработка электроэнергии ветроустановкой при S = 12,6 м2, на высоте h = 14 м, кВтч 297 326 317 287 317 218 152 128 202 338 419 384 3385
Месячная выработка электроэнергии солнечной батареей мощностью 2,6 кВт, при п = 0,8, кВтч 34 85 233 265 295 312 324 243 149 71 25 7 2043
Месячная выработка электроэнергии солнечной батареей мощностью 2,0 кВт, при п = 0,8, кВтч 26 66 179 204 227 240 250 187 115 54 19 5 1572
Совместная выработка электроэнергии солнечной батареей мощностью 2 кВт и ветроустановкой, кВтч 323 392 496 491 544 458 402 315 317 409 438 391 4957
2. Потери на заряд-разряд составляют не более 20 %, их важно учесть
8500 Вт ч • 1,2 = 10 200 Втч.
3. Среднее количество пиковых часов в апреле составляет 4,2.
4. Требуемая мощность солнечной батареи
10 200Вт-ч/сут
1000 г
4,2 ч
: 2429 Вт.
■ -1 шт.
24 В
9. Общее количество модулей — 13 шт.
По данным табл. 4 получаем графики выработки электроэнергии солнечной батареей и ветроу-становкой в течение года (рис. 4).
Из рис. 4 видно, что установленная мощность ветроустановки не обеспечивает электро-
Ен
•а
о х 3 о
S
5. Пиковая мощность фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощности — 200 Вт, напряжение 24 В.
6. Число модулей, соединенных параллельно
2429 Вт
-= 12,14 шт.
200 Вт
7. Увеличиваем до ближайшего целого числа — 13 шт.
8. Число модулей соединенных последовательно
24 В
Рис. 4. Выработка электроэнергии солнечной батареей и ветроустановкой в течение года: 1 — совместная выработка электроэнергии солнечной батареей и ветроустановкой мощностью 2 кВт; 2 — выработка электроэнергии ветроустановкой; 3 — месячная потребность в электроэнергии; 4 — выработка электроэнергии солнечной батарей мощностью 2 кВт Fig. 4. Power generation of solar panels and wind turbines during the year: 1 — joint power generation solar panels and wind turbine capacity of 2 kW; 2 — energy production by wind turbine; 3 — monthly demand for electricity; 4 — power generation solar panels of 2 kW
энергией потребителя с мая по сентябрь, поэтому источником электроэнергии должен стать другой объект. При совместной работе ветроустановки и солнечной батареи мощность солнечной батареи можно уменьшить с 2,6 кВт до 2,0 кВт. В этом
случае ветроустановка и солнечная батарея обеспечат потребителя круглогодично, а также дает возможность установить вместо 13 солнечных батарей 10 шт. [14-20].
Выводы
1. Использование гибридного энергообеспечения на основе возобновляемых источников энергии и традиционных источников является перспективным и экономически выгодным направлением обеспечения электроэнергией в условиях жилых поселений с количеством населения менее 200 чел.
2. Учитывая сезонные колебания климата рассматриваемых районов эффективным считаем комплексное использование различных возобновляемых источников электроэнергии в частности солнечной и ветровой.
3. Проведенные расчеты позволили определить, что для обеспечения электроэнергией одного дома необходимы следующие объекты:
- ветроустановка с горизонтальной или вертикальной осью мощностью 2,3 кВт (с расчетной скоростью ветра 10 м/с) или 4 кВт (с расчетной скоростью ветра 12 м/с), высотой мачты не ниже 14 м, диаметром ветроколеса 4,0.4,5 м;
- фотоэлектрические монокристаллические модули в количестве 10 шт. (при мощности 200 Вт, напряжении 24 В), вместо них можно установить солнечную электростанцию мощностью 2,0.2,5 кВт;
- инвертор мощностью 4 кВт, напряжением 24 В, преобразующий постоянный ток в переменный напряжением 220 В, частотой 50 Гц;
- контроллер МРРТ (Maximum Power Point Tracking), мощностью 4 кВт, гибридный;
- аккумуляторы гелевые необслуживаемые емкостью 200 Ач (напряжением 12 В — 24 шт., напряжением 24 В — 12 шт.);
- кабель и провод.
Список литературы
[1] Агроклиматический справочник по Архангельской области. Л.: Гидрометиздат, 1961. 220с.
[2] Горяев А.А., Петухов С.В., Баланцева Н.Б. Энергообеспечение в Арктической зоне Архангельской области и Ненецкого автономного округа (НАО) // I Российская науч.-практ. конф. «Природопользование в Арктике: современное состояние и перспективы развития», Якутск, 22-25 сентября 2015 г. Якутск: СВФУ, 2015. С. 191-200.
[3] Березкин М.Ю., Синюгин О.А. География инноваций и возобновляемая энергетика мира // Малая энергетика, 2011. № 1-2. С. 3-5
[4] Шеповалова О.В. Использование возобновляемых источников энергии в комплексных системах энергообеспечения сельских зданий // Ползуновский вестник, 2011. № 21. С. 175-180.
[5] Кольниченко Г.И., Сиротов А.В., Тарлаков Я.В. Исследование и обоснование эксплуатационных характери-
стик дизель-генератора, работающего на дизельном топливе с биодобавками // Сборник трудов III Меж-дунар. конф. «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (АПЭЭТ-2014), Екатеринбург, 17-20 марта 2014 г. Екатеринбург: УРФУ, 2014. С. 230-232.
[6] BP Statistical Review of World Energy, 2016. URL: http://www.bp.com/statisticalreview (дата обращения 10.04.2020)
[7] Lattimore B., Smith C.T., Titus B.D., Stupak I., Egnell G. Environmental factors in woodfuel production: Opportunities, risks, and criteria and indicators for sustainable practices // Biomass and Bioenergy, 2009, no. 33(10), pp. 1321-1342.
[8] Малоизвестное оборудование для производства электроэнергии. 2016. URL: http://nnhpe.spbstu.ru/ maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/ (дата обращения 15.06.2019).
[9] Обзор электроэнергетической отрасли России, 2018. URL: https://www. ey.com/Publication/vwLUAssets/ EY-power-market-russia-2018/%24FILE/ EY-power-market-russia-2018.pdf (дата обращения 10.04.2020).
[10] Токарев Г.Г. Газогенераторные автомобили. М.: ГНТ Изд-во машиностроительной литературы, 1955. 207 с.
[11] Обзор современных ПТУ малой мощности (до 1000 кВт). Санкт-Петербург: ООО НТЦ «МТТ», 2015. 41 с. URL: http://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/ uploads/2015/02/Obzor-PTU-maloy-moshchnosti.pdf (дата обращения 05.08.2019)
[12] Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. СПб.: Изд-во политехнического ун-та, 2016. 424 с.
[13] Васильев И.А., Люминарская Е.С., Селиванов К.В. Гибридная энергетика как способ электрификации географически изолированных потребителей // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2018. № 4-2 (330). С. 154-161.
[14] Васильев И.А., Люминарская Е.С., Селиванов К.В. Автономная система энергоснабжения с микропроцессорным управлением // Электроника и электрооборудование транспорта, 2019. № 2. С. 21-26.
[15] Селиванов К.В. Анализ способов малого распределенного электроснабжения // International research journal, 2017. № 01 (55). Ч. 4. С. 107-110.
[16] Князева Г.А. Биоэнерготехнологии: новые направления развития регионального лесного сектора // Социально-экономические, политические и исторические аспекты развития северных и арктических регионов России: Материалы Всерос. науч. конф. (с междунар. участием). Сыктывкар, 17-18 октября 2018 г. Сыктывкар: Коми Республиканская Академия государственной службы и управления, 2018. С. 20-25.
[17] Langholtz M.H.; Stokes B.J.; Eaton L.M. 2016. 2016 Billion-ton report: Advancing domestic resources for a thriving bioeconomy, Volume 1: Economic availability of feedstock. U.S. Department of Energy. ORNL/ TM-2016/160. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN. 411p. DOI: 10.2172/1271651.
[18] Попель О.С., Фортов В.Е. Энергетика в современном мире. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 168 с.
[19] Nivala M., Anttila P., Laitila J., Salminen O., Flyktman M. A GIS-based methodology to estimate the regional balance of potential and demand of forest chips // J. of Geographic Information Systems, 2016, no. 8, 633-662.
[20] Goerndt M.E., D'Amato A., Kabrick J. Chapter 4: Wood Energy and Forest Management // Wood Energy in Developed Economies / Ed F.X. Aguilar. London, UK: Earthscan Publishing, 2014, pp. 93-127.
Сведения об авторах
Галкин Владимир Павлович — д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), vgalkin@mgul.ac.ru
Горяев Аркадий Алексеевич — канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», ark 16111936@gmail.com
Баланцева Наталья Борисовна — канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Калиничева Оксана Александровна — канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Сиротов Александр Владиславович — д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), sirotov@mgul.ac.ru
Калинина Алена Анатольевна — вед. инженер МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), kalinina@mgul.ac.ru
Тарлаков Яков Викторович — канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), tarlakov@mgul.ac.ru
Усачев Максим Сергеевич — канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), usachev@mgul.ac.ru
Поступила в редакцию 26.05.2020.
Принята к публикации 16.11.2020.
HYBRID POWER SUPPLY OF RESIDENTIAL SETTLEMENTS IN RUSSIAN FEDERATION
V.P. Galkin1, A.A. Goriaev2, N.B. Balantseva2, O.A. Kalinicheva2, A.A. Kalinina1, A.V. Sirotov1, Y.V. Tarlakov1, M.S. Usachev1
'BMSTU (Mytishchi branch), 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg., Russia
2Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, 17, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 163002, Arkhangelsk, Russia
vgalkin@mgul.ac.ru
An example of using renewable energy sources in the conditions of a locality in the Arkhangelsk region, typical for the Central part of Russia, is considered. The possibility of using wind and solar energy to provide electricity to domestic consumers is analyzed on the example of one house with a living area of 60 sq. m. Calculations are made and parameters of the wind farm, solar panels and accumulators are determined based on the provision of electricity from the wind farm and battery, since in non-Sunny times and windless days, as a rule, the solar battery operates. Based on the calculations, the parameters were determined and an inverter was selected for the proposed power supply system.
Keywords: renewable power generation, diesel generator, power supply, electrical engineering, renewable energy sources, wind turbine, solar panel, batteries
Suggested citation: Galkin V.P., Goriaev A.A., Balantseva N.B., Kalinicheva O.A., Kalinina A.A., Sirotov A.V., Tarlakov Y.V., Usachev M.S. Gibridnoe energoobespechenie zhilykh poseleniy v RF [Hybrid power supply of residential settlements in Russian Federation]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2021, vol. 25, no. 1, pp. 100-108. DOI: 10.18698/2542-1468-2021-1-100-108
References
[1] Agroklimaticheskiy spravochnik po Arkhangel'skoy oblasti [Agro-climatic guide to the Arkhangelsk region]: Leningrad: Gidrometizdat, 1961, 220 p.
[2] Goryaev A.A., Petukhov S.V., Balantseva N.B. Energoobespechenie v Arkticheskoy zone Arkhangelskoy oblasti i Nenetskogo avtonomnogo okruga (NAO) [Power supply in the Arctic zone of the Arkhangelsk region and the Nenets Autonomous Okrug (NAO)]. I Rossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Prirodopol'zovanie v Arktike: sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya» [I Russian scientific and practical conference «Environmental management in the Arctic: current state and development prospects»], Yakutsk, 22-25 September 2015. Yakutsk: NEFU, 2015, pp. 191-200.
[3] Berezkin M.Yu., Sinyugin O.A. Geografiya innovatsiy i vozobnovlyaemaya energetika mira [Geography of Innovations and Renewable Energy of the World]. Malaya energetika [Small Energy], 2011, no. 1-2, pp. 3-5.
[4] Shepovalova O.V. Ispol'zovanie vozobnovlyaemykh istochnikov energii v kompleksnykh sistemakh energoobespecheniya sel'skikh zdaniy [The use of renewable energy sources in integrated energy supply systems for rural buildings]. Polzunovskiy vestnik [Polzunovsky Bulletin], 2011, no. 21, pp. 175-180.
[5] Kol'nichenko G.I., SirotovA.V., Tarlakov Ya.V. Issledovanie i obosnovanie ekspluatatsionnykh kharakteristik dizel'-generatora, rabotayushchego na dizel'nom toplive s biodobavkami [Research and justification of the performance characteristics of a diesel generator operating on diesel fuel with bioadditives]. Sbornik trudov III Mezhdunarodnoy konferentsii «Aktual'nye problemy energosberegayushchikh elektrotekhnologiy» (APEET-2014) [Proceedings of the III International Conference APEET-2014]. Ekaterinburg: URFU, 2014, pp. 230-232.
[6] BP Statistical Review of World Energy, 2016. Available at: http://www.bp.com/statisticalreview (дата обращения 10.04.2020).
[7] Lattimore B., Smith C.T., Titus B.D., Stupak I., Egnell G. Environmental factors in woodfuel production: Opportunities, risks, and criteria and indicators for sustainable practices // Biomass and Bioenergy, 2009, no. 33(10), pp. 1321-1342.
[8] Maloizvestnoe oborudovanie dlyaproizvodstva elektroenergii [Little-known equipment for the production of electricity], 2016. Available at: http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/ (accessed 15.06.2019).
[9] Obzor elektroenergeticheskoy otrasliRossii [Overview of the Russian electric power industry], 2018 Available at: https:// www.ey.com/Publication/vwLUAssets/EY-power-market-russia-2018/%24FILE/EY-power-market-russia-2018.pdf (accessed 10.04.2020).
[10] Tokarev G.G. Gazogeneratornye avtomobili [Gas generating cars]. Moscow: GNT Publishing house of engineering literature, 1955, 207 p.
[11] Obzor sovremennykh PTU maloy moshchnosti (do 1000 kVt) [A review of modern low-power vocational schools (up to 1000 kW)]. St. Petersburg: NTTs MTT LLC, 2015. 41 p. Available at: http://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/uploads/2015/02/ Obzor-PTU-maloy-moshchnosti.pdf (accessed 05.08.2019)
[12] Elistratov V.V. Vozobnovlyaemaya energetika [Renewable energy]. St. Petersburg: Politekhnicheskiy un-t [Polytechnic University], 2016, 442 p.
[13] Vasil'ev I.A., Lyuminarskaya E.S., Selivanov K.V. Gibridnaya energetika kak sposob elektrifikatsii geograficheski izolirovannykh potrebiteley [Hybrid energy as a way of electrifying geographically isolated consumers]. Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii [Fundamental and Applied Problems of Engineering and Technology], 2018, no. 4-2 (330), pp. 154-161.
[14] Vasil'ev I.A., Lyuminarskaya E.S., Selivanov K.V. Avtonomnaya sistema energosnabzheniya s mikroprotsessornym upravleniem [Autonomous power saving system with microprocessor control]. Elektronika i elektrooborudovanie transporta [Electronics and electrical equipment of transport] 2019, no. 2, pp. 21-26.
[15] Selivanov K.V. Analiz sposobov malogo raspredelennogo elektrosnabzheniya [Analysis of small distributed power supply methods]. International research journal, 2017, no. 01 (55), part 4, pp. 107-110.
[16] Knyazeva G.A. Bioenergotekhnologii: novye napravleniya razvitiya regional'nogo lesnogo sektora [Bioenergy technologies: new directions for the development of the regional forestry sector]. Sotsial'no-ekonomicheskie, politicheskie i istoricheskie aspekty razvitiya severnykh i arkticheskikh regionov Rossii: Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii (s mezhdunarodnym uchastiem) [Socio-economic, political and historical aspects of the development of the northern and Arctic regions of Russia: Materials of the All-Russian Scientific Conference (with international participation)]. Syktyvkar, October 17-18, 2018. Syktyvkar: Komi Republican Academy of Public Service and Management, 2018, pp. 20-25.
[17] Langholtz M.H.; Stokes B.J.; Eaton L.M. 2016. 2016 Billion-ton report: Advancing domestic resources for a thriving bioeconomy, Volume 1: Economic availability of feedstock. U.S. Department of Energy. 0RNL/TM-2016/160. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN. 411p. DOI: 10.2172/1271651.
[18] Popel' O.S., Fortov V.E. Energetika v sovremennom mire [Energy in the modern world]. Dolgoprudny: Intellect, 2011, 168 p.
[19] Nivala M., Anttila P., Laitila J., Salminen O., Flyktman M. A GIS-based methodology to estimate the regional balance of potential and demand of forest chips // J. of Geographic Information Systems, 2016, no. 8, 633-662.
[20] Goerndt M.E., D'Amato A., Kabrick J. Chapter 4: Wood Energy and Forest Management // Wood Energy in Developed Economies / Ed F.X. Aguilar. London, UK: Earthscan Publishing, 2014, pp. 93-127.
Authors' information
Galkin Vladimir Pavlovich—Dr. Sci. (Tech.), Professor ofthe BMSTU (Mytishchi branch), vgalkin@mgul.ac.ru Goryaev Arkadiy Alekseevich — Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, ark 16111936@gmail.com
Balantseva Natal'ya Borisovna — Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov
Kalinicheva Oksana Aleksandrovna — Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov
Sirotov Aleksandr Vladislavovich — Dr. Sci. (Tech.), Professor of the BMSTU (Mytishchi branch), sirotov@mgul.ac.ru
Kalinina Alena Anatol'evna — Leading Engineer of the BMSTU (Mytishchi branch), kalinina@mgul.ac.ru Tarlakov Yakov Viktorovich — Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the BMSTU (Mytishchi branch), tarlakov@mgul.ac.ru
Usachev Maksim Sergeevich — Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the BMSTU (Mytishchi branch), usachev@mgul.ac.ru
Received 26.05.2020.
Accepted for publication 16.11.2020.
