CC BY
31
УДК 621.311: 620(075.8)
В.П. Степаненко
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ НА АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ В РЕСПУБЛИКЕ САХА ЯКУТИЯ
Аннотация. Рассмотрены вопросы совершенствования ресурсосбережения на автономных электростанций в республике Саха Якутия, в которой в 2016 г. в Книгу рекордов Гиннесса была занесена самая северная в мире, находящаяся за Северным полярным кругом в поселке Батагай солнечная электростанция. С учетом расходов на доставку дизельного топлива стоимость электрической энергии на дизель-генераторных электростанциях в Якутии достигает 24 руб./кВтч. Проведено сравнение ветряных и солнечных электростанций и определены области их применения. Использованием автономных гибридных электростанций, конвертацией дизельных двигателей на водородное топливо, применением топливных элементов можно добиться повышения ресурсосбережения, экологической безопасности, энергоэффективности и снижения расхода дизельного топлива на 30—50%.
Ключевые слова: ресурсосбережение, энергоэффективность, автономные солнечные и ветряные электростанции, накопители энергии, возобновляемые источники, экологическая безопасность, суперконденсаторы, аккумуляторы, дизельное топливо.
Снизить расход дизельного топлива и ГСМ не менее, чем в 2—3 раза, повысить комфортность проживания населения республики Саха Якутия возможно при условии реализации «Энергетической стратегии России до 2030 года», а также путем использования автономных гибридных электростанций, конвертацией дизельных двигателей на водородное топливо и применением топливных элементов. На автономных электростанциях применяются ветряные, солнечные, дизельные генераторы и накопители энергии — электрохимические кислотные и щелочные аккумуляторные батареи [1— 13]. По сравнению с аккумуляторами, солнечными и дизельными генераторами монтаж, эксплуатация, обслуживание и ремонт ветрогенераторов более сложные и ресурсоемкие процессы. Ветро-
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-62-68
генераторы по мощности можно разделить на промышленные мощностью до 7,5 МВт и для частного использования мощностью порядка 20—30 кВт.
Промышленные ветрогенераторы устанавливаются государственными или крупными частными энергетическими корпорациями. Объединенные в единую электроэнергетическую сеть ветрогене-раторы называются ветряной электростанцией. Основные недостатки ветрогенераторов: шум при работе, обледенение лопастей в зимнее время, при резких колебаниях скорости и порывах ветра возможна поломка лопастей и срабатывание электрической защиты, что снижает эффективность всей системы в целом [1, 4]. Если в больших энергетических системах мощность ветряных электростанций превышает 15—20% от
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 62-68. © В.П. Степаненко. 2018.
общей мощности системы, то параллельная работа ветряных с тепловыми и солнечными генераторами осложняется. При резких порывах ветра повышается вероятность срабатывания защиты на ветряных электростанциях и отходящих линиях электропередачи, появляется опасность развала электрической системы. При развале энергетической системы происходит отключение защиты генераторов на ветряных и тепловых электростанциях [7—10].
Проблема ветряных генераторов в том, что их мощность и работа нелинейно зависят от скорости ветра и по этой причине диапазон рабочих скоростей ветра достаточно узкий. При скорости ветра до 5 м/с горизонтальные ветроге-нераторы производят мало энергии, при штормовом ветре срабатывает аварийная защита. Зимой в Якутии часто дуют штормовые ветры, снегом заносит все подъездные пути и поля ветряных электростанций [5—8]. В тех районах Якутии, где скорость ветра выше 80 м/с, ветряные генераторы с горизонтальной осью вращении могут вырабатывать большое количество электроэнергии. При скорости ветра менее 5 м/с ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения неэффективны. Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения при скорости
ветра 1 м/с начинают вырабатывать электрическую энергию и при скорости 3—5 м/с выходят на номинальный режим работы.
Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии, она характеризуется большой неравномерностью в суточной, недельной, месячной и годовой выработке электрической энергии. С другой стороны, в неравномерном потреблении электрической энергии из энергосистем имеются пики и провалы, сгладить которые ветряные генераторы не могут. По этой причине возрастание доли ветряной энергии может стать причиной дестабилизации электрических энергосистем. Энергосистемы неохотно подключают ветрогенераторы к своим сетям. Проблемы в энергосистемах возникают из-за нестабильности работы ве-трогенераторов после достижения ими доли в 20—25% от общей установленной мощности системы. Для России этот показатель близок к 50—55 тыс. МВт [6, 7, 8].
По сообщению телеканала «Рос-сия-24», в 2016 г. в Книгу рекордов Гиннесса была занесена как самая северная в мире автономная солнечная электростанция, находящаяся за Северным Полярным кругом в поселке Батагай в республике Саха Якутия (см. рис. 1). На площади 3,8 га установлено 3360 муль-
Рис. 1. Батагайская солнечная электростанция
Fig. 1. Batagay solar power plant
Рис. 2. Сельская солнечная электростанция в Якутии
Fig. 2. Rural solar power plant in Yakutia
тикристаллических солнечных панелей мощностью по 300 Вт каждая. Постоянный ток, вырабатываемый солнечными панелями, преобразуют в переменный 40 инверторов мощностью 25 кВт каждый. Установленная электрическая мощность первой очереди Батагайской СЭС, введенной в эксплуатацию в июле 2016 г., составляет 1 МВт. Батагайская СЭС объединена в единую энергетическую системы с существующей в поселке дизель-генераторной электростанцией. Пуск в эксплуатацию СЭС в Батагае позволит экономить до 18 млн руб. и до 300 т дизельного топлива в год. РАО «Энергетиче-
ские системы Востока», (контролируется ОАО «РусГидро») приступили к эксплуатации трех новых СЭС: в поселке Бетенкес мощностью 40 кВт, в селах Улуу — 20 кВт и Столбы — 10 кВт. Помимо новой станции в Батагае, СЭС меньшей мощности работают в восьми якутских селах: Ба-тамай, Ючюгей, Куду-Кюель, Тойон-Ары, Дулгалах, Эйик, Куберганя и Джаргалах (см. рис. 2).
В настоящее время количество СЭС, входящих в состав «РАО ЭС Востока», увеличилось до 11, их суммарная мощность составляет 1,285 тыс. кВт. Все перечисленные СЭС синхронизированы
Таблица 1
Электрические потери Electrical losses
№ пп Потери и КПД Мощность, Вт
1 Полезная мощность на выходе солнечной электростанции 3000
2 Потери в контроллере аккумуляторной батареи 600
3 Потери в инверторе 400
4 Потери в аккумуляторной батарея 800
5 Потери в кабеля и проводах 60
6 Полная мощность 4860
7 КПД 62%
с действующими в населенных пунктах дизельными электростанциями и частично замещают их выработку.
В модуль СЭС входят в качестве основных элементов: солнечные панели; накопители энергии; контроллеры заряда аккумуляторных батарей, инверторы; вспомогательное оборудование (вентиляторы, устройства освещения, электрические провода, кабелях и т.д.).
Накопители электрической энергии выполняют три функции: 1 — покрывают пиковую нагрузку, которую не могут покрыть самостоятельно солнечные панели; 2 — обеспечивают энергией в ночное время; 3 — компенсирует недостаток энергии в периоды плохой погоды или высокого энергопотребления.
В качестве накопителей энергии на автономных электростанциях могут применяться аккумуляторные батареи — ЭХН, суперконденсаторы КДЭС, топливные элементы ТЭ, ИН инерционные накопители (маховики), СПИН (сверхпроводящие индукционные накопители) [7—8].
При проектировании СЭС нужно составить перечень всех потребителей электрической энергии, определить потребляемую ими мощность и коэффициент полезного действия. При расчетах необходимо учитывать потери в солнечных панелях, инверторе, контроллере,
аккумуляторной батарее и соединительных кабелях и проводах. В табл. 1 приведены величины потерь и КПД солнечной электростанции, имеющей полезную мощность на выходе 3 кВт.
Потери на СЭС зависят от многих причин, их суммарная величина находится в пределах от 17 до 60%, а КПД электростанций может снижаться до 10—30%. Выбор напряжения питания существенно влияет на параметры солнечных панелей, накопителей энергии, инвертора, контроллера аккумуляторной батареи и электропроводки. Для СЭС, производящих менее 1,5 кВтч в сутки, рационально использовать напряжение 12 В. Для электростанции, генерирующей более 3,0 кВтч в день, предпочтительней напряжение 24 В, а для генерирующей более 5,0 кВтч в день — напряжение 48 В.
На автономных электростанциях применяются доступные по цене свинцово-кислотные стартерные автомобильные аккумуляторы. Промышленность выпускает также аккумуляторные батареи для систем резервного питания, которые отвечают требованиям СЭС.
Часто экономически целесообразно электрическую энергию ветрогенерато-ров с нестабильной частотой переменного тока преобразовывать тепловую энергию для обогрева жилья и получения горячей воды. Такое решение имеет
Таблица 2
Параметры комплекта СЭС мощностью 3кВт на СП типа One Sun 250P Parameters of 3kW solar power plant kit on one Sun 250P type solar panel
№ пп Параметр Величина
1 Мощность 250 Вт
2 Напряжение 24 В
3 Технология поликристалл
4 Размеры (ДхШхТ мм) 1640x992x40
5 Цена одной панели 11 500 руб.
6 Количество панелей 12 шт.
7 Цена комплекта 138 000 руб.
несколько преимуществ: 1 — отопление и горячее водоснабжение являются основными потребителями энергии любого дома в России; 2 — упрощаются электрические силовые схемы ветроге-нераторов, а также схемы управления и автоматики; 3 — в качестве аккумулятора энергии можно использовать бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не критично к качеству и бесперебойности, т.к. без ущерба для потребителей температуру воздуха в помещении можно поддерживать в пределах 19—25 °C, в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C. Напряжение питания оборудования СЭС влияет на параметры солнечных панелей, аккумуляторной батареи, инвертора, контроллера аккумуляторной батареи и электропроводки. КПД автомобильных аккумуляторов в режимах заряд-разряд не превышают 75%, тогда как специализированные аккумуляторы — 85%. Параметры комплекта солнечных панелей типа One Sun 250P напряжением 24 В приведены в табл. 2.
Принимаем, что СЭС летом работают 7 ч с максимальной мощностью. Суточное потребление электроэнергии делим на 7 и получим часовую мощность СП без учета потерь. Прибавим к часовой мощности 60% на потери в аккумуляторах, контроллерах, инверторе, а также потери энергии при точном контроллере 5% или при неточном 20%. Учтем 3% потери в проводах и кабелях. В зависимо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сти от качества контроллеров заряда аккумуляторной значения КПД солнечной электростанции находится в пределах от 17% до 32%. Количество модулей One Sun 250P-36 на СЭС возрастет с 12 до 36 шт.
В Якутии с учетом расходов на доставку дизельного топлива стоимость электрической энергии на дизель-генераторных электростанциях достигает 24 руб./кВтч. На автономных электростанциях для обеспечения круглосуточного стабильного энергоснабжения следует использовать автономные гибридные электростанции, состоящие из ВЭС с вертикальной осью вращения, СЭС, дизель-генераторных электростанций и накопителей энергии. Исследования показывают, что в республике Саха Якутия кроме энергии солнца и ветра имеют перспективы применения топливные элементы и конвертация дизельных двигателей на водородное топливо [1, 3, 7, 8, 9, 13].
Выводы
Снизить расход дизельного топлива и ГСМ не менее, чем в 2—3 раза, повысить комфортность проживания населения возможно при условии реализации «Энергетической стратегии России до 2030 года», а также путем использования автономных гибридных солнечных и ветряных электростанций, конвертацией дизельных двигателей на водородное топливо и применением топливных элементов.
1. Adamaro la M. Wind Turbine Technology: Principles and Designes. CRC Press, Taylor& Francis Droup, 2014. XXII. 334 p.
2. Kleissl J. Energy Solar Forecasting and resource Assessmen. Elsevier, 2013, 462 p.
3. Kalogirou S. A. Solar Energy Engineering. Processes and Systems. Second edition. Elsevier. 2014, 840 p.
4. Eremia M., Shahidehpour M. Handbook of Electrical Power System Dynamics. Modeling, Stability and Control. IEEE Press, 2013, 976 p.
5. Xing L., WangJ., Dooner M., Clarke J. Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation. Applied Energy. vol. 137, 2015, pp. 511-536.
6. Ley M. U., Jepsen L. H., Lee J. L. H., Cho Y. S. Y. W., Bellosta von Colbe J. M., Dornheim M., Rokkni M., Jensen J. O., Sloth M.- Filinchuk, yet al. Complex hydrides for hydrogen storage // New perspectives. Materials Today. 2014, pp. 122-128.
7. Степаненко В. П. Выбор ресурсосберегающих источников и накопителей энергии в системах автономного энергоснабжения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2018. - № 2. - С. 42-49.
8. Белозеров В. И., Степаненко В. П. Потребность создания карьерных локомотивов с накопителями энергии // Горная промышленность. - 2014. - № 5. - С. 76.
9. Бубенчиков А. А., Нурахмет Е. Е., Молодых В. О., Руденок А. И. Солнечная энергия как источник электрической энергии // Международный научно-исследовательский журнал. -2016. - № 5. - С. 59-62.
10. Джаламов Т. А., Имамов Э.З., Муминов Р. А., Насимова Н. Нанотехнология в решении проблемы альтернативных источников энергии / Материалы международной конференции «Актуальные проблемы использования альтернативных источников энергии» г. Карши. -2014. - С. 15-16.
11. Измайлов К.А., Кенжаев З. Т., Абдиреймова Ш. Р. Солнечная энергетика сегодня и завтра / Материалы 9-й международной конференции. - Алматы, 2016. - С. 225-226.
12. Горбенко О. Н., Рожкова А.А. Проблемы использования солнечной энергии // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 5-2. - С. 38-39.
13. Безруких П. П., Грибков С. В. Ветроэнергетика. - М.: Интехэнергоиздат, 2014. - С. 304. итш
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, доцент, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: valestepanenko@yandex.ru.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 62-68.
Resource-saving promotion at isolated generating plants in the Republic of Sakha (Yakutia)
Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: valestepanenko@yandex.ru.
Abstract. The article discusses enhancement of resource saving capacity of isolated generating plants in the Republic of Sakha (Yakutia) where the Batagai solar electric plant situated beyond the Arctic circle was entered in the Guinness World Records in 2016 as the northernmost power system in the world. With regard to diesel fuel delivery cost, the energy price at diesel power generating plants in Yakutia reaches 24 Rub/kWh. The human comfort in Yakutia can be improved by means of implementing the Energy Strategy of Russia to 2030, as well as by means of using independent hybrid generating plants, conversion of diesel drives to hydrogen fuel and application of fuel accumulators. The wind and solar electric plants are compared and their application fields are identified. The application of independent hybrid generating plants, conversion of diesel drives to hydrogen fuel and application of fuel accumulators can make it possible to enhance resource-saving capacity, ecological safety and energy efficiency, and to reduce diesel fuel consumption by 30-50%.
Key words: resource-saving, energy efficiency, independent solar and wind electric plants, Arctic circle, energy accumulators, renewable sources, ecological safety, supercapacitors, accumulators, diesel fuel.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-62-68
REFERENCES
1. Adamaro la M. Wind Turbine Technology: Principles and Designes. CRC Press, Taylor& Francis Droup, 2014. XXII. 334 p.
2. Kleissl J. Energy Solar Forecasting and resource Assessmen. Elsevier, 2013, 462 p.
3. Kalogirou S. A. Solar Energy Engineering. Processes and Systems. Second edition. Elsevier. 2014, 840 p.
4. Eremia M., Shahidehpour M. Handbook of Electrical Power System Dynamics. Modeling, Stability and Control. IEEE Press, 2013, 976 p.
5. Xing L., Wang J., Dooner M., Clarke J. Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation. Applied Energy. vol. 137, 2015, pp. 511-536.
6. Ley M. U., Jepsen L. H., Lee J. L. H., Cho Y. S. Y. W., Bellosta von Colbe J. M., Dornheim M., Rokkni M., Jensen J. O., Sloth M.- Filinchuk, yet al. Complex hydrides for hydrogen storage. New perspectives. Materials Today. 2014, pp. 122-128.
7. Stepanenko V. P. Vybor resursosberegayushchikh istochnikov i nakopiteley energii v sistemakh av-tonomnogo energosnabzheniya [Selecting resource-saving sources and storages of energy in independent systems of power supply]. Gornyyinformatsionno-analiticheskiybyulleten'. 2018, no 2, pp. 42—49. [In Russ].
8. Belozerov V. I., Stepanenko V. P. Potrebnost' sozdaniya kar'ernykh lokomotivov s nakopitelyami energii [Relevance of open pit locomotives with energy storage units]. Gornaya promyshlennost'. 2014, no 5, pp. 76. [In Russ].
9. Bubenchikov A. A., Nurakhmet E. E., Molodykh V. O., Rudenok A. I. Solnechnaya energiya kak istochnik elektricheskoy energii [Solar energy as electric power source]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2016, no 5, pp. 59—62. [In Russ].
10. Dzhalallov T. A., Imamov E. Z., Muminov R. A., Nasimova N. Nanotekhnologiya v reshenii problemy al'ternativnykh istochnikov energii [Nanotechnology in handling issues of alternative energy sources]. Materi-aly mezhdunarodnoy konferentsii «Aktual'nye problemy ispol'zovaniya al'ternativnykh istochnikov energii» g. Karshi. 2014, pp. 15—16. [In Russ].
11. Izmaylov K. A., Kenzhaev Z. T., Abdireymova Sh. R. Solnechnaya energetika segodnya i zavtra [Solar power engineering today and tomorrow]. Materialy 9-y mezhdunarodnoy konferentsii. Almaty, 2016, pp. 225—226. [In Russ].
12. Gorbenko O. N., Rozhkova A. A. Problemy ispol'zovaniya solnechnoy energii [Problems of solar energy use]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2014, no 5—2, pp. 38—39. [In Russ].
13. Bezrukikh P. P., Gribkov S. V. Vetroenergetika [Wind power engineering], Moscow, Intekhenergoizdat, 2014, pp. 304.
_
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ В XXI ВЕКЕ: РЕЗУЛЬТАТЫ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ (МАТЕРИАЛЫ III МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ), Т. 1, 2
(2017, № 12, св 37, 396 с.; 2017, № 12, св 38, 464 с.)
Коллектив авторов
Сборник статьей подготовлен на основе докладов участников III Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке — результаты и перспективы развития предприятий», в которых раскрыты актуальные вопросы развития угольной промышленности, проблемы повышения безопасности и экологичности функционирования угледобывающих предприятий, совершенствования организации производства, системы работы с персоналом и повышения эффективности деятельности.
Ключевые слова: конкурентоспособность, безопасность, организация производства, эффективность, управление, экология, предприятие, подразделение, участок, рабочее место.
OPEN MINING IN THE TWENTY-FIRST CENTURY: RESULTS, CHALLENGES AND DEVELOPMENT PROSPECTS (PROCEEDINGS OF THE III INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL CONFERENCE), VOL. 1, 2
Team of authors
The collection of articles is based on the reports of the participants of the III international scientific and practical conference «Open mining in the XxI century — the results and prospects of development of enterprises», which deals with topical issues of development of the coal industry, the problems of improving the safety and environmental performance of coal mining enterprises, improving the organization of production, the system of work with personnel and improve performance.
Key words: competitiveness, safety, organization of production, efficiency, management, ecology, enterprise, division, site, workplace.
