CC BY
24¡■rpîrsëèîsijspj's'jèjijseêèjs ycTàjJîaêè
WIND ENERGY W/ind-soJar energy plants
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНОГО ЦИКЛА
В.М.Андреев, А. Г. Забродский, С. О. Когновицкий
Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН ул. Политехническая, 26, г. Санкт-Петербург, 194021, Россия Тел.: +7-921-9771754; факс: (812) 2971017
Сведения об авторе: профессор, доктор техн. наук.
Образование: Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: физика полупроводников и солнечная фотоэнергетика.
Публикации: более 250 научных работ.
Андреев Вячеслав Михайлович
The article is devoted to the development of a next-generation hybrid autonomous power generation system used renewable wind-solar energy and hydrogen cycle of energy storage. The system is based on modern fuel cell with hydrogen fuel. The hydrogen is obtained by a process of water electrolysis and then accumulated in a storage system. The electric energy for the electrolysis is generated by the primary energy sources: an original solar battery with high efficiency and a wind turbine. The use of renewable energy sources and proven technologies make the system economically feasible, especially for remote area customers, such as radio relay towers and base stations for cellular networks. The development is realized with help of National Innovation Company «New Energy Projects».
Несмотря на развитие больших электрических сетей в стране, остается актуальной задача автономного электроснабжения. Масштаб проблемы можно оценить по тому факту, что примерно 70 % территории России с суммарным населением (по разным оценкам) от 10 до 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Состояние коммуникаций на таких территориях, как правило, не позволяет осуществлять регулярные и (или) рентабельные поставки топлива.
Решение данной проблемы может быть основано на использовании возобновляемых источников энергии — солнца и ветра, которые являются повсеместно доступными и привлекают относительной дешевизной, экологической чистотой, высокой безопасностью. Именно совместное использование солнечных и ветровых ресурсов позволяет существенно повысить на-
дежность гарантированного электроснабжения потребителя и расширить географию эффективного применения гибридных солнечно-ветровых энергоустановок.
В 1987 г. впервые была разработана гибридная солнечно-ветровая система электропитания для телерадиопередающей станции на мощность 250 Вт, которая более 10 лет проходила испытания на полигоне в предгорной зоне около города Чарвак Ташкентской области и показала высокий уровень надежности и хорошие эксплуатационные характеристики. В 1998 г. на основе этих данных в предгорной зоне Ташкентской области построен и введен в опытную эксплуатацию в августе 2000 г. гибридный солнечно-ветровой источник электроэнергии мощностью 5 кВт с аккумуляторными батареями с общей емкостью 1520 А/ч.
В настоящее время в мире насчитывается значительное количество компаний, поставляю-
Статья поступила в редакцию 23.03.2007 г.
The article has entered in publishing office 23.03.2007.
щих на рынок гибридные солнечно-ветровые энергоустановки различной мощности и назначения. Энергоустановки в основном выполняются на основе кремниевых солнечных батарей без концентраторов и электрохимических аккумуляторных батарей в качестве накопителей энергии.
Среди таких компаний можно указать: «Shell» (Великобритания) в кооперации с «Tss4U» (Нидерланды), «Orga» (Нидерланды) и «Proven Engineering» (Великобритания), «OkSolar Electric Power Company» (США), «Sun Wind Concepts» (США), «Maritech Marine» Ltd. (США), «Natural Technology Systems» (Австралия), «C Trade» (Шри-Ланка), The Hong Kong Polytechnical University (Китай), инженерно-техническая фирма «Доминус» (Украина) и др.
Особого упоминания заслуживает компания «Atlantic County Utilities Authority» (ACUA) (США), построившая в 2005 г. самую большую в мире гибридную солнечно-ветровую электростанцию мощностью 8 МВт, отдающую электроэнергию в сеть.
За последние десятилетия достигнут значительный прогресс в развитии технологий практического использования возобновляемых источников энергии. Это создает предпосылки для преодоления все еще существующих технических и экономических барьеров на пути их более широкого коммерческого использования.
Главной научно-технической проблемой создания эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии является проблема аккумулирования энергии в условиях их существенной нестабильности поступления (суточной, сезонной, погодной). Попытки решения этой проблемы за счет использования традиционных электрохимических аккумуляторов энергии приводят к необходимости создания чрезмерно больших аккумулирующих систем, что ведет к снижению надежности таких энергоустановок. В результате практическое применение сегодня находят гибридные системы, объединяющие солнечные и/или ветровые установки с бензиновыми или дизельными генераторами. Такие технические решения, однако, не позволяют в полной мере избавиться от присущих традиционным автономным энергоустановкам на органическом топливе недостатков: необходимости периодического завоза топлива, обслуживания, наличия выбросов продуктов сгорания, шума и др. [1, 2].
Как показывают отечественные и зарубежные исследования, наиболее перспективным является применение накопителей энергии на основе водородного цикла, состоящих из электролизера воды и аккумуляторов водорода (и, в отдельных разработках, кислорода). За счет электроэнергии, получаемой от первичных источников — солнечной батареи и ветроэлектрогенера-тора, в периоды низкого внешнего энергопотребления в результате электролиза воды может вырабатываться газообразный водород (и кислород). Накопленная в виде H2 (и O2) энергия может быть преобразована во вторичное электриче-
ство с помощью электрохимического генератора (ЭХГ) и отдана потребителю в периоды недостатка поступления энергии от солнца и ветра.
Водород представляет собой универсальный энергоноситель, обеспечивающий возможность долгосрочного и эффективного хранения и экологически чистого преобразования запасенной в нем энергии в электрическую, тепловую и другие виды энергии.
Таким образом, описанное выше техническое решение (применение водородного цикла) позволяет создавать автономные интегрированные энергоустановки «солнечная батарея/ветро-электрогенератор/электрохимический генератор (ЭХГ)» (ИСВЭУ), обладающие высокими потребительскими качествами: отсутствием потребности в завозе топлива, минимальными затратами на обслуживание, экологической чистотой, высокой надежностью гарантированного электроснабжения потребителя.
Такие энергоустановки могут быть востребованы для электроснабжения небольших удаленных населенных пунктов, фермерских хозяйств, телекоммуникационных станций, систем военного назначения, мобильных систем МЧС, в том числе походных госпиталей, автономных научных и метеорологических станций, маяков и т. п. Характеристики интегрированных энергетических установок позволяют осуществлять питание радиорелейных и базовых ретрансляционных станций сотовых операторов и, таким образом, занять нишу автономных систем питания телекоммуникационных систем.
Несмотря на перспективность интегрированных солнечно-ветровых энергоустановок с водородным циклом накопления энергии (ИСВЭУ), в настоящее время в мире отсутствует их промышленный выпуск. В то же время ведутся интенсивные исследования и разработки подобных энергоустановок, создаются и испытываются их опытные образцы.
Например, с 2002 г. проходит опытную эксплуатацию ИСВЭУ с накоплением водорода в городе Ел-Хаммам в Египте. На основе полученных с ее помощью экспериментальных данных была отработана логика построения электронно-электротехнической системы управления и распределения потоков электроэнергии от отдельных источников для обеспечения максимальной энергетической эффективности и качества выходного напряжения [3].
В США выполнен цикл теоретических расчетов и компьютерного моделирования автономной ИСВЭУ с накоплением водорода, рассчитанной на электроснабжение «типичного» американского дома. Была выполнена оптимизация конфигурации и параметров отдельных энергосистем интегрированной установки для обеспечения заданного уровня выходной мощности при минимальных стоимости электричества и установки в целом [4].
Под эгидой Американской национальной водородной ассоциации была разработана и испытана ИСВЭУ, включавшая в свой состав две сол-
нечные батареи по 1 кВт, два ветроэлектрогене-ратора по 1,5 кВт и ЭХГ на основе протонопро-водящих мембран мощностью 2 кВт. Было определено, что такая интегрированная установка может производить электроэнергию стоимостью не дороже 2,5 $/кВт-ч [5].
В российских исследовательских организациях также имеется значительный задел в теоретическом анализе и компьютерном моделировании ИСВЭУ с учетом климатических и потребительских особенностей [1, 2], а также в разработке отдельных систем и агрегатов, которые могут быть использованы в качестве базовых компонентов интегрированной энергоустановки.
Исходя из изложенного выше, представляется целесообразным продолжение системных исследований и разработок в области комбинированного использования возобновляемых источников энергии и водородных технологий, которые могут привести к созданию коммерчески привлекательных автономных интегрированных энергоустановок.
По инициативе НИК «Новые энергетические проекты», при ее поддержке и участии, совместно с Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе РАН в настоящее время ведутся работы по разработке и созданию первой в России интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с водородным циклом накопления энергии, основанной на самых передовых на данный момент научно-технических решениях. Планом работ предусмотрены создание и натурные испытания опытных образцов ИСВЭУ, а также разработка параметрического ряда ИСВЭУ, учитывающих особенности потребления электроэнергии типичными потребителями и оптимизированных для различных климатических условий, которые определяют поступление первичной энергии солнца и ветра и зависят от географического места расположения.
Принципиальная структурная схема создаваемой ИСВЭУ показана на рис. 1.
Для использования энергии ветра в зависимости от локальных ветровых условий в составе интегрированной энергоустановки могут применять хорошо апробированные и надежные вет-роэлектрогенераторы как крыль-чатые с горизонтальной осью вращения, так и карусельного (роторного) типа с вертикальной осью вращения.
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущества в сравнении с традиционными ветряками. Ветростанции данного типа работают на силе давления ветра, поэтому могут страгиваться с места и эффективно применяться, начиная с очень низких значений скорости ветра (от 1 до 60 м/с). Карусельный ветродвигатель обеспечивает максимальный мо-
мент при запуске ветродвигателя, быстро наращивает силу тяги при увеличении скорости ветра, после чего скорость вращения стабилизируется, и таким образом осуществляется автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. Карусельные ветродвигатели тихоходны, поэтому не создают большого шума. Кроме того, относительно низкие обороты позволяют использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Для данных ветродвигателей целесообразно применять многополюсные генераторы, работающие на малых оборотах. Важным преимуществом карусельной конструкции является то, что ветроэлектрогенераторы такого типа могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения, что весьма существенно при наличии приземных рыскающих потоков. (Использованные материалы: SciTecLibrary.ru, Российский центр солнечной энергии «Интерсоларцентр», НПО «ЭлектроСфера», ведущий инженер Т. А. Пунгас.)
Указанные особенности позволяют использовать ветроэлектрогенераторы карусельного типа в большинстве регионов, даже не отличающихся значительными средними скоростями ветра, где в то же время проживает большая часть населения.
Карусельные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии. В силу технико-экономических причин целесообразно использовать в составе разрабатываемых интегрированных энергоустановок ветроэлектрогенераторы карусельного типа производства фирмы «Oy Windside Production Ltd.» из Финляндии. Парам етричес-кий ряд ветроэлектрогенераторов данной компании имеет мощность в диапазоне 0,2-40 кВт. Их конструкция включает 2-3 винтообразных лопасти, а в целом установка напоминает рассеченный вдоль цилиндр, закрученный вокруг оси (рис. 2). Преимуществом такой конструкции является практически полное отсутствие шума и вращающихся выступающих частей.
Солнечная батареи
Ватроэл ектро генератор
DC/DC = / ACHDC
преобразователь = Ч / преобразователь Г
Система коммутации, регулнцнтмшя. 1ЯГГ[ИТ].[. управления И ТР-КМРТрни
DC/AC лреобраэсаатель
Электролизер
Баппожая с не тема храисиия водорода и кислорода
Электр оки ин чески и генератор
Злсктрпзнергип для потребителей. Выходное напряжете ïïD(3KD)B/Sti Гц,
Рис. 1. Структурная схема ИСВЭУ с водородным циклом
Рис. 2. Ветроэлектрогенератор карусельного типа с вертикальной осью «Windside WS-4B» производства фирмы «Oy Windside Production Ltd.» (Финляндия)
Для преобразования солнечной энергии наиболее целесообразно применять эффективные концентраторные солнечные батареи на основе многослойных каскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) из полупроводниковых гетероструктур (соединений А3В5) и концентраторов солнечного излучения из линз Френеля, установленные на систему слежения за положением Солнца (рис. 3). Наибольший опыт в мире по созданию таких батарей (с концентрацией до 700-1000 Солнц) имеется в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Данное направление открывает боль-
шие возможности снижения стоимости солнечной электроэнергии, так как необходимая площадь солнечных элементов, а следовательно, и их стоимость, могут быть снижены пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения.
Для высокоэффективного преобразования 500-1000-кратноконцентрированного солнечного излучения более перспективными являются солнечные элементы на основе широкозонных полупроводниковых соединений. При этом наиболее эффективными являются следующие комбинации:
- арсенид галлия в качестве материала широкозонного элемента, СаЯЬ (или твердый раствор Са1пАэ) в качестве узкозонного элемента в механически стыкованных каскадных ФЭП;
- германий и арсенид галлия в качестве материалов узкозонных элементов и твердые растворы Са051п05Р (Е^ = 1,85 эВ) в качестве материала широкозонного элемента в монолитных трехкас-кадных ФЭП.
- четырехкаскадные ФЭП на основе структуры: Се как первый «нижний» элемент; IпGaNAs (Е^ = 1 эВ) — второй элемент; СаАэ — третий элемент; (А1)Са1пР — четвертый элемент.
Данная работа выполняется при использовании гетероструктур Са1пР/Са1пАэ/Се в качестве базового варианта.
Значения КПД в ФЭП на основе этих материалов составляют около 25 % для 500-1000-кратно концентрированного солнечного излучения в ФЭП с одним р-п-переходом и более 30 % в каскадных ФЭП. (В трехкаскадных элементах достигается КПД более 35 %, в то время как в четырех- и пятикаскадных ожидается КПД > 40 %.)
В качестве подложек для гетероструктурных ФЭП используется монокристаллический германий. Выращивание гетероструктур осуществляется методом газофазной эпитаксии из металло-
Рис. 3. Солнечная фотоэлектрическая установка на основе каскадных полупроводниковых А3В5-гетерост-руктурных фотопреобразователей и френелевских концентраторов солнечного излучения, созданная в ФТИ им. А. Ф.Иоффе РАН. Установленная мощность 1 кВт, масса 230 кг в полной комплектации: 18 модулей с апертурой каждого 50x50 см. Площадь фотоактивной поверхности 4,5 м2, высота — 2 м, точность слежения за положением Солнца — ±0,1 угл. град.
Рис. 4. Структуры каскадных ФЭП, создаваемых в ФТИ им. А. Ф. Иоффе на современной установке МОС-гидрид-ной эпитаксии: а — структура двухкаскадного монолитного ФЭП с КПД 30 %; б — структура трехкаскад-ных ФЭП с ожидаемым значением КПД 35 % при концентрированном солнечном облучении
органических соединений (ГФЭ МОС). Сложность получаемых многослойных гетероструктур отражена на рис. 4. Расход полупроводниковых материалов для подложек составляет около 0,05 см2 на 1 Вт вырабатываемой электроэнергии. Толщина эпитаксиальной гетероструктуры фотопреобразователей составляет около 5 мкм при толщине £ подложки 150-200 мкм, т. е. обеспечивается ми-| нимальный расход дорогостоящих полупроводи никовых материалов и, как следствие этого, су-.3 щественное снижение стоимости солнечной электроэнергии.
Электрогенерирующие панели с концентра-| торными солнечными элементами формируются ^ с применением технологий изготовления печат-§ ных плат и гибридных схем, что способствует 0 уменьшению их стоимости.
Системы концентрации солнечного излучения создаются на основе линз Френеля. Линзы Френеля изготавливаются на основе композитных структур, фронтальная часть которых выполнена из силикатного стекла «солнечного» качества, а френелевский профиль выполнен из тонкого слоя (0,2-0,3 мм) силикона. Оптическая эффективность разработанных линз Френеля достигает 90 % с учетом вторичных оптических элементов, а концентрация солнечного излучения составляет более 700 крат. Данные линзы имеют высокую радиационную стойкость.
Концентраторные солнечные батареи должны устанавливаться на систему слежения за положением Солнца. Разработанная в ФТИ им. А. Ф. Иоффе система слежения за Солнцем имеет оригинальную конструкцию, обеспечивающую точность ±0,1 угловых градуса, она также систему автоматического съема данных, обеспечивающую непрерывный мониторинг.
Выходная электрическая мощность солнечной батареи зависит прямо пропорционально от интенсивности солнечного излучения, при этом выходной (рабочий) ток изменяется прямо пропорционально изменению мощности, а выходное (рабочее) напряжение изменяется не более чем на 2 % при изменении мощности в 2 раза. Выходное постоянное напряжение установлено около 110 В.
За счет более высокого общего КПД солнечной батареи и постоянного слежения за Солнце цем общее количество вырабатываемой электро-о. энергии с единицы площади концентраторной | гетероструктурной солнечной батареи приблизи-■ 1 тельно в 2,5-3 раза выше удельного энергосъе-й ма обычных «плоских» кремниевых батарей.
Вследствие работы при высокой кратности 6 концентрирования солнечного излучения с по-§• мощью дешевых в изготовлении фокусирующих £ панелей для получения одинаковой мощности 8 площадь гетероструктурных ФЭП приблизитель-0 но в 500 раз меньше, чем кремниевых. Поэтому, несмотря на большую стоимость гетеро-структур, стоимость солнечной электроэнергии, получаемой от разработанной концентраторной батареи, оказывается примерно в 2 раза ниже, чем при использовании кремниевых панелей, и может составлять 1,5 долл./Вт.
Таким образом, для обеспечения конкурентоспособности разрабатываемых интегрированных энергоустановок необходимо применение установленных на систему слежения за Солнцем концентраторных (с концентрацией не менее 500 «солнц») солнечных батарей на основе каскадных фотоэлектрических преобразователей.
В системе накопления электроэнергии при необходимости накопления менее 50 кВтч используются только аккумуляторные батареи, а для больших энергий дополнительно применяется накопление с помощью водородного цикла.
Для получения водорода и кислорода применяется электролитическое разложение воды, обладающее следующими достоинствами:
- одновременное с водородом получение кислорода и физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза;
- высокая чистота получаемого водорода и кислорода — до 99,99 % и выше;
- возможность непосредственного получения водорода и кислорода под давлением;
- простота технологического процесса, его непрерывность, возможность полной автоматизации.
Известно, что наиболее отработанными, широко распространенными и эффективными устройствами для получения водорода являются электролизеры, использующие щелочные растворы, в частности, раствор КОН. Напряжение разложения воды зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других характеристик электролизера. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера со щелочным электролитом ~80 %, в том числе для электролиза под давлением. Подобные электролизеры являются составной частью разрабатываемых ИСВЭУ.
Получение вторичной электроэнергии из запасенных водорода и кислорода осуществляется в топливном элементе со щелочным электролитом, обладающем КПД около 70 %.
Работа на кислороде обеспечивает существенное повышение КПД топливных элементов и повышает их ресурс работы. В интегрированных энергоустановках с водородным циклом важно использовать в контуре «электролизер - электрохимический генератор» чистую воду, которая является продуктом реакции кислорода и водорода. Качество получаемой воды позволяет ее использовать в электролизере без дополнительной очистки, в отличие от воздушно-водородного варианта топливных элементов. Возможность использования кислорода выгодно отличает предлагаемую разработку от зарубежных аналогов.
Использование в автономной энергоустановке электролизеров со щелочным раствором в комбинации с ЭХГ на щелочных топливных элементах с циркулирующим электролитом позволяет свести к минимуму число вспомогательных периферических устройств. В частности, полностью отказаться от различных агрегатов, обеспечивающих отвод воды, образующейся в результате электрохимической реакции. Это является существенным достоинством топливных элемен-
тов (ТЭ) с жидким проточным электролитом по сравнению с топливными элементами с полимерным мембранным электролитом, которые требуют поддержания вполне определенного уровня влажности ионообменной мембраны. Контур водоотвода у твердополимерных топливных элементов не только усложняет и удорожает конструкцию генератора, но и потребляет заметную часть вырабатываемой электроэнергии, что снижает общий КПД системы. Хотя накапливающаяся в результате реакции вода в щелочных топливных элементах и приводит к разбавлению первоначально заправленного в систему электролита, однако такое уменьшение массовой концентрации от ~40 % до концентрации ~20 % находится в допустимых пределах. Поэтому такой ЭХГ может в течение достаточно длительного периода времени функционировать без снижения выходных электрических характеристик, и время непрерывной работы определяется лишь объемом накопительных баков.
В конструкции разрабатываемой энергоустановки предусмотрены две накопительные емкости, в которых собирается вода, образующаяся при работе ЭХГ. Накапливающийся в емкостях разбавленный раствор щелочи КОН при работе ЭХГ опять возвращается в батарею ТЭ с целью ее охлаждения и выравнивания концентрации электролита, а при неработающем ЭХГ поступает в электролизер для производства водорода и кислорода. Таким образом, образующаяся вода, которая является единственным продуктом электрохимической реакции, снова используется для получения топлива и окислителя, благодаря чему не возникает необходимости добавления в систему «внешней» воды.
В ИСВЭУ хранение водорода и кислорода реализуется в системе металлокомпозитных и угле-пластиковых облегченных баллонов с удельной массой 0,4-0,5 кг/л внутреннего объема. Применяются два баллона для запасания водорода и один баллон для кислорода давлением 15 атм.
С целью обеспечения электроэнергией потребителя в условиях быстро нарастающей нагрузки в составе интегрированной энергоустановки используются накопители электрической энергии на основе ионисторов сверхвысокой емкости.
Наличие в гибридной установке источников энергии физически разного типа, характеризующихся частотно-амплитудной нестабильностью вырабатываемого напряжения, обуславливает использование в составе ИСВЭУ специальной электронно-программной системы преобразования и согласования, представляющей собой комплекс полупроводниковых преобразовательных устройств, а также системы регулирования, коммутации, защиты, автоматики и управления к ним. При разработке данной системы исследуется эффективность использования импульсного режима отбора мощности (периодического включения нагрузки) с целью увеличения средней мощности электрохимического генератора.
Выходное напряжение разрабатываемых ИСВЭУ при мощности до 10 кВт является однофазным 220 В, 50 Гц, а при мощности свыше 10 кВт — 3-фазным 380 В, 50 Гц. Общая эффективность преобразования энергии от первичных источников электроэнергии в выходную для ИСВЭУ составляет не менее 40 %. Срок службы ИСВЭУ прогнозируется не менее 20 лет.
За счет использования возобновляемых источников первичной энергии и при хорошо отработанных технологиях данные энергоустановки могут являться экономически рентабельными и самоокупаемыми.
Оценочные значения выходных мощностей при различных погодных условиях и различных режимах работы интегрированной энергоустановки, характеризующейся максимальными мощностями солнечной батареи 5 кВт и ветроэлектроге-нератора 30 кВт, приведены в таблице. Данные определены для случая накапливания 1000 л кислорода и 500 л кислорода при давлении 15 атм.
Разработка эффективной автономной ИСВЭУ с накопителем водорода связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя. Решение задачи создания таких оптималь-
Выходная электрическая мощность, кВт Временной характер работы
Режимы работы энергоустановки
Лучшие климатические условия, (5 кВт — солнце, 30 кВт — ветер), используется запас газов (10 кВт — ЭХГ) 44 До 2,5 ч (зависит от объема баллонов)
«Средние» климатические условия (3 кВт - солнце, 8 кВт — ветер), используется запас газов (10 кВт — ЭХГ) 20 До 2,5 ч (зависит от объема баллонов)
Отсутствие первичных источников энергии, используется запас газов (10 кВт — ЭХГ) 9 До 2,5 ч (зависит от объема баллонов)
Лучшие климатические условия, без использования запаса газов 34 Постоянно
«Средние» климатические условия, без использования запаса газов 10 Постоянно
«Средние» климатические условия, создание запаса газов 0 7,5 ч
ных интегрированных энергоустановок осуществляется на основе сочетания экспериментальных и расчетно-теоретических исследований, математического и компьютерного моделирования.
Для построения математической модели работы интегрированной ИСВЭУ необходимо создаем вать модели первичных возобновляемых источни-§ ков энергии с характерной для них неравномер-£ ной генерируемой мощностью в зависимости от д географической точки, сезона и времени суток. g Для этой цели используется статистическая ин-I формация по приходу солнечной радиации на зем-^ ную поверхность и значениям скорости ветра в 1 зависимости от времени в месте положения потре-3 бителя, получаемая из климатических баз дан-g ных. Рассчитывается солнечная энергия, прихо-Q дящая на перпендикулярную солнечным лучам поверхность концентраторных солнечных модулей, установленных на систему слежения за положением Солнца. Для определения преобразуемой энергии ветра используется функциональная зависимость выходной мощности ветроэлектрогенерато-ра от скорости ветра. Выходная мощность ИСВЭУ определяется с учетом КПД составных частей и систем энергоустановки.
При моделировании учитывается алгоритм функционирования интегрированной ИСВЭУ, который заключается в определенной последовательности (приоритетности) использования источников энергии ИСВЭУ (первичных и вторичных). Энергоснабжение потребителя должно осуществляться преимущественно от первичных источников (солнца и ветра), минуя промежуточные стадии преобразования энергии (электролизер — ЭХГ). При избыточной мощности первичных источников электроэнергия должна аккумулироваться в первую очередь в электрохимических или конденсаторных накопителях и далее, при полной зарядке последних, избыточная мощность направляется в электролизер на выработку и накапливание водородного топлива. При кратковременном недостатке мощности первичных источников для электроснабжения потребителя используется энергия электрохимических или конденсаторных накопителей. При длительном дефиците мощности первичных источников расходуется энергия накопленного * ранее водородного топлива, которая преобразу-< ется с помощью ЭХГ.
Одним их важных критериев оптимизации I конфигурации ИСВЭУ при моделировании является минимизация превышения средней выход-ií ной мощности энергоустановки над уровнем мощ-¡ ности, потребляемой нагрузкой, при повышении í? надежности бесперебойного электроснабжения.
0
1 Для осуществления моделирования на ос-ä нове перечисленных критериев и алгоритмов ав-§ торами разработана компьютерная программа в Q среде MathCAD. Программа осуществляет расчет временной зависимости энергетического баланса ИСВЭУ при заданных климатических условиях и нагрузке. В программе учитываются мощностные параметры систем ИСВЭУ, в том
числе солнечной батареи, ветроэлектрогенерато-ра, аккумуляторной батареи, электролизера и электрохимического генератора. Программа позволяет определять оптимальные энергетические характеристики основных систем ИСВЭУ.
Пример расчета баланса при заданных функциях прихода солнечной и ветровой энергии и уровне энергопотребления нагрузки приведен на рис. 5. В данном расчете принято:
- уровень энергетических потребностей потребителя — 2 кВт,
- максимальная мощность солнечной батареи — 2 кВт,
- максимальная мощность ветроэлектроге-нератора — 8 кВт,
- мощность ЭХГ — 4 кВт.
Выгодная мощность ИСВЭУ ^^ Мощность солнечного изл^ения
8 ' ' ' ' ' ' мощность ветра
Рис. 5. Пример временной зависимости энергетического баланса ИСВЭУ при заданных климатических условиях и нагрузке
Расчет показывает: при заданных солнечных и ветровых условиях может быть обеспечено гарантированное электроснабжение потребителя при минимальном превышении выходной мощности над потребляемой нагрузкой мощностью.
Список литературы
1.Попель О. С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. № 3. С. 70-75.
2. Popel' O. S., Frid S. E., Shpil'rain E. E., Izosimov D. B., Tumanov V. L. Independent Hydrogen Power Installations with Renewable Sources of Energy // Теплоэнергетика. 2006. Т. 53, № 3. С. 208.
3. Thanaa F. El-Shatter', Mona N. Eskander, Mohsen T. El-Hagry. Energy flow and management of a hybrid wind/PV/fuel cell generation system // Energy Conversion and Management. 2006. Vol. 47, Iss. 9-10. P. 1264-1280.
4. Nelson D. B., Nehrir M. H., Wang C. Unit sizing and cost analysis of stand-alone hybrid wind/ PV/fuel cell power generation systems // Renewable Energy. 2006. Vol. 31, Issue. 10. P. 1641-1656.
5. Chulaki А. Renewable Hydrogen Power System for Isolated Communities. NHA News, National Hydrogen Association.
