CC BY
55Статья поступила в редакцию 05.12.13. Ред. рег. № 1893
The article has entered in publishing office 05.12.13 . Ed. reg. No. 1893
УДК 620.91
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Н.М. Мхитарян, С. О. Кудря, Л.В. Яценко, Л.Я. Шинкаренко, М.Д. Ткаленко, В.И. Будько
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины 02094, Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 15.12.13 Заключение совета экспертов: 20.12.13 Принято к публикации: 25.12.13
Представлены результаты исследований в области комплексного использования разных видов возобновляемых источников энергии и систем аккумулирования, что является приоритетным направлением фундаментальных и прикладных исследований Института возобновляемой энергетики НАН Украины.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, комплексные энергосистемы, ветровая энергетика, солнечная энергетика, геотермальная энергетика, малая гидроэнергетика, биоэнергетика, электрохимические аккумуляторы, тепловые аккумуляторы, водород.
COMPLEX USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES N.M. Mhitaryan, S.O. Kudrya, L.V. Yatsenko, L.Y. Shynkarenko, M.D. Tkalenko, V.I. Bud'ko
Institute of renewable energy, NASU Krasnogvardeyskaya20А, 02094, Kiev, Ukraine Phone/fax: +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 15.12.13 Expertise: 20.12.13 Accepted: 25.12.13
The article presents the results of the research in the field of complex utilization of different types of renewable energy sources and energy storage systems, which is a priority subjest of basic and applied research in the Institute of Renewable Energy NAS of Ukraune.
Keywords: renewable energy sources, integrated power systems, wind energy, solar energy, geothermal energy, small hydropower, bioenergy, electrochemical batteries, thermal batteries, hydrogen.
Введение
Одной из причин ограниченного использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является дискретность энергетических потоков - периодичность поступления и изменяемость энергетического потенциала, что во многих случаях их использования создает существенные осложнения и не обеспечивает требуемые параметры энергопотребления. Кроме того, в процессе широкомасштабного внедрения оборудования в возобновляемой энергетике появляется проблема создания регулирующих мощностей на основе традиционных энергосистем для обеспечения стабильного энергоснабжения в периоды отсутствия энергии возобновляемых источников. Хотя в некоторых случаях такая необходимость полностью оправдана, в данное время в рамках возобновляемой энергетики существует целый ряд технических
средств и методов решения этой проблемы, в том числе за счет использования аккумуляторов электрической и тепловой энергии.
Высокие технико-экономические показатели применения возобновляемых источников энергии, стабильные рабочие параметры энергетического оборудования и стабильное энергоснабжение потребителей, достигаются при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии, комплексном ее аккумулировании, и при сочетании ВИЭ как между собой, так и с техникой и технологиями традиционной энергетики. Создание эффективных комплексных энергосистем (КЭС) с комплексным использованием различных аккумуляторов энергии позволяет повышать эффективность энергоиспользования ВИЭ на 30-50%, улучшает параметры выработанной энергии и обеспечивает стабильность энергоснабжения потребителей. Современные технологии и
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
оборудование, а также приемы рационального использования ВИЭ, основанные на комплексном использовании разных видов ВИЭ и аккумуляторов энергии, фактически ликвидируют препятствия к их широкомасштабному внедрению [1, 2].
Научно-техническими проблемами создания и исследования комплексных энергосистем на основе ВИЭ в Украине занимаются уже более 25 лет - в Отделении комплексных энергетических систем на основе ВИЭ (с 1980 по 1987 г. при Киевском политехническом институте, с 1987 по 2003 г. в Институте электродинамики НАН Украины, с 2004 г. - в Институте в возобновляемой энергетики НАН Украины. Ряд научно-технических учреждений и отраслевых институтов занимается отдельными проблемами аккумулирования энергии ВИЭ.
Сфера научно-технических исследований Института возобновляемой энергетики охватывает практически все основные направления освоения энергии возобновляемых источников; приоритетным направлением является комплексное использование разных видов возобновляемых источников энергии и систем аккумулирования, что позволяет компенсировать неравномерное поступление первичной энергии, обеспечивает надежность систем энергосбережения на основе возобновляемых источников энергии и повышает эффективность использования отдельного оборудования.
Основные принципы создания комплексных энергосистем на основе ВИЭ
Отдел комплексных энергосистем института осуществляет фундаментальные и прикладные исследования в области физико-технических проблем комплексного использования энергии возобновляемых источников разных видов с целью:
- повышения энергоэффективности систем энергоснабжения за счет комбинированного использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии;
- повышения надежности функционирования систем электро- и теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии за счет использования разных систем аккумулирования энергии;
- математического моделирования процессов в системах комплексного энергоснабжения и их отдельных элементах для рационального выбора параметров и характеристик систем энергоснабжения и режимов их функционирования;
- анализа современного состояния возобновляемой энергетики в Украине и в мире, определения основных проблем использования возобновляемых источников энергии в Украине, обоснование путей их решения на ближайшую и последующую перспективу.
На данном этапе выделены такие основные направления исследований комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии:
- прогнозирование тенденций развития возобновляемой энергетики в Украине и в мире с учетом потенциалов возобновляемых источников энергии разных видов;
- математическое и физическое моделирование параметров, характеристик и режимов функционирования комплексных систем электротеплоснабжения и энерготехнологических узлов, с использованием возобновляемых источников энергии;
- математическое и физическое моделирование параметров, характеристик и режимов процессов и систем аккумулирования энергии.
Основными задачами при создании комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии является обеспечение их надежными аккумуляторами энергии и создание эффективного вспомогательного оборудования для снижения флуктуа-ций параметров энергосистем и поддержания необходимых рабочих параметров, а также создание оборудования для автоматического управления режимами их работы.
Оптимальное соотношение отдельных элементов в комплексных энергетических системах на основе ВИЭ определяется с учетом многих факторов, влияющих на работу таких энергосистем, поэтому при их разработке необходимо проведение исследований для каждого конкретного объекта. Первым этапом является определение энергетической эффективности эксплуатации в местах их внедрения.
Для создания эффективных комплексных энергосистем на основе ВИЭ разработан следующий порядок исследований [3, 4]:
1) определение уровня обеспечения конкретного объекта, площадки или местности, традиционными энергоресурсами;
2) установление структуры систем энергоснабжения и энергоиспользования;
3) установление требований к качеству электрической и тепловой энергии, типа и параметров нагрузки;
4) установление требований к почасовому графику энергоснабжения;
5) рассмотрение климатометеорологических условий и наличия энергоресурсов возобновляемых источников с учетом периодичности их поступления;
6) определение наличия количества энергии каждого вида возобновляемых источников;
7) определение оптимального состава комплексной энергосистемы на основе ВИЭ, типа и мощности отдельных ее элементов;
8) определение уровня энергообеспечения объекта за счет оборудования на основе ВИЭ соответствующего состава;
9) проведение анализа энергобаланса комплексной энергосистемы на основе ВИЭ с учетом экологических ограничений, экономической и социальной эффективности; окончательный выбор типа и мощности энергетического оборудования на основе ВИЭ;
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
10) разработка проекта комплексной энергосистемы на основе ВИЭ с привязкой к местности.
Комплексные энергосистемы на основе возобновляемых источников, предназначенные для энергообеспечения потребителей тепловой и электрической энергией, должны быть оборудованы комплексной системой аккумулирования электрической и тепловой энергии для выравнивания колебаний нагрузок в тепловой и электрической сетях, возникающих в результате периодичности и неравномерности энергоснабжения, и для повышения коэффициента полезного использования энергоустановок. Обязательным является также использование эффективного вспомогательного оборудования для поддержания необходимых рабочих параметров и автоматического управления работой КЭС.
Суть эффективности применения комплексных энергосистем на основе ВИЭ в первую очередь заключается в сбережении традиционных топливно-энергетических ресурсов. Для ее оценки были выбраны такие основные критерии: экономическая эффективность (срок окупаемости), экологическая эффективность, которая является следствием уменьшения потребления органического топлива (охрана и возобновление окружающей среды), социальная эффективность (увеличение рабочих мест, улучшение качества жизни).
При определении эффективности применения комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии в основном необходимо ориентироваться на суммарный экономический и экологический эффект Ес [2]:
Ес Еэкон ^ Еэкол, (1)
где Еэкон - годовой экономический эффект, грн; Еэкол - годовой экологический эффект, грн.
Экономическая эффективность комплексной энергосистемы определяется:
E = Е(Б + k.E),
экон / J \ I I н / '
(2)
где В, - ежегодные эксплуатационные расходы, грн/год; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, лет; к - стоимость установки, грн.
Знак суммы в данных расчетах означает набор отдельных установок комбинированной энергосистемы.
Величина эксплуатационных затрат определяется:
Е б = Е qC-Ж+n)k
(3)
Экологическая эффективность определяется сокращением расходов на нейтрализацию последствий действия вредных выбросов, образующихся при сгорании органического топлива, замещаемого при внедрении КЭС на основе ВИЭ:
Е = ОС
-^экол ^р^н:
(4)
где qi - количество тепла или энергии, выработанной элементом комплекса с использованием ВИЭ; Ст -стоимость единицы энергии замещаемого органического топлива; п - коэффициент амортизационных и ремонтных отчислений.
где - среднегодовое количество замещенного органического топлива, т у.т.; Сн - расходы на нейтрализацию вредных выбросов, грн/т у.т.
Дополнительной составляющей экономического эффекта при внедрении КЭС на основе ВИЭ может быть стоимость избыточных квот на выбросы парниковых газов.
Системы аккумулирования энергии ВИЭ
В современной возобновляемой энергетике все больше внимания уделяется качественным показателям энергии. При этом большое значение приобретает использование аккумуляторов энергии, которые обеспечивают решение целого ряда проблем накопления, хранения и превращения энергии ВИЭ. Таким образом, актуальной становится проблема разработки и создания высокоэффективных средств для аккумулирования электрической и тепловой энергии.
При выборе накопителей энергии для конкретной энергетической системы необходимо в одинаковой мере учитывать энергетические и эксплуатационные показатели как оборудования на основе возобновляемых источников и потребителей энергии, так и накопителей энергии. К основным характеристикам принадлежат: удельная мощность, удельная энергия, удельная стоимость накопителя энергии, срок заряда-разряда, срок службы, КПД, саморазряд, безопасность, простота обслуживания, вид выработанной и потребляемой энергии [5]. Среди многих типов аккумуляторов, которые могут быть использованы в разных технических системах, для применения в возобновляемой энергетике выбираются те, которые по своим свойствам и характеристикам наиболее пригодны к работе с оборудованием на основе ВИЭ.
Системы аккумулирования электрической энергии предназначены для накопления и хранения электрической энергии, полученной на объектах возобновляемой энергетики, и внепиковой энергии промышленной электросети на объектах традиционной энергетики с последующим электропитанием потре-бителей.При работе с электрогенерирующим оборудованием на основе ВИЭ системы аккумулирования электрической энергии, работая в режиме постоянного подзаряда, выравнивают суточные колебания, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают стабильное питание потребителей электроэнергии. При работе с промышленной электросетью системы аккумулирования электрической энергии накапливают внепиковую электроэнергию в ночное время и обеспечивают электропитание потребителей в периоды отключения от нее.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Система аккумулирования электрической энергии при применении в комплексных энергосистемах должна отвечать таким требованиям:
- обеспечивать стабильное электропитание потребителей электроэнергии независимо от периодичности работы возобновляемых источников энергии и в периоды отключения промышленной электросети;
- иметь оптимальную энергоемкость, которая зависит от потребностей энергосистемы в каждом конкретном случае и обеспечивается набором аккумуляторов с последовательным или параллельным подключением;
- обеспечивать необходимое рабочее напряжение и автоматическую регуляцию режимами работы.
Выбор марки электрохимических аккумуляторов проводится на основе анализа их технических характеристик, которые должны обеспечивать эффективную работу систем аккумулирования с энергетическим оборудованием на основе возобновляемых источников энергии. При определении энергоемкости аккумуляторной батареи необходимо ориентироваться на создание резерва электроэнергии для стабильного питания потребителей; расчеты проводятся или уточняются в каждом частном случае. Необходимая энергоемкость обеспечивается набором определенного количества аккумуляторов в определенном их подключении - последовательном или параллельном.
Одной из актуальных проблем возобновляемой энергетики является проблема аккумулирования тепловой энергии, в первую очередь, в области солнечной теплоэнергетики; тепловые аккумуляторы также эффективно используются в комплексе с ветроэлектрическими агрегатами, фотобатареями и в традиционной энергетике для снятия пиковых нагрузок.
Тепловое аккумулирование - это физические или химические процессы, с помощью которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии. Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие обратные процессы накопления, хранения и отдачи тепловой энергии соответственно нуждам потребителя.
Аккумулирование тепла в разных энергосистемах проводится с целью обеспечения нужд отопления и горячего водоснабжения.
Аккумулирование тепла в любой водонагрева-тельной системе позволяет приспосабливать ее к условиям спроса на горячую воду, который изменяется на протяжении суток. Применение различных средств для накопления энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть проблему, связанную с неравномерной интенсивностью солнечной энергии на протяжении суток. Даже в условиях безоблачного неба необходимое количество энергии при соответствующей температуре жидкости можно получить только в течение нескольких часов до и после полудня. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления помещений, поддерживают
температуру теплоносителя на уровне 60 °С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, то очевидно, что накапливать ее необходимо в одни периоды суток, а использовать - в другие.
Практическая реализация разных типов тепловых аккумуляторов связана в первую очередь с определением их оптимальных рабочих характеристик, с выбором недорогих и эффективных конструкционных материалов и теплоаккумулирующих сред. Эффективность теплового аккумулятора при прочих равных условиях определяется массой и объемом теплоаккумулирующего материала (ТАМ), необходимого для обеспечения заданных параметров процесса [1, 5].
Важным направлением развития возобновляемой энергетики является водородная энергетика, которая занимается решением проблем, связанных с применением водорода в качестве энергоносителя и аккумулирующего среды. Для комплексных энергосистем на основе ВИЭ водород обеспечивает возможность создания долгосрочных межсезонных запасов энергии.
Системы аккумулирования на основе водорода могут примененяться в энергосистемах на возобновляемых источниках энергии (ветровая, солнечная и гидросиловая энергия), при этом энергия первичных источников энергии используется для получения водорода на электролизных установках [2]. В Украине в течение последних 35 лет проводятся научно-исследовательские работы по получению, хранению и использованию водорода в качестве энергоносителя для энергосистем возобновляемой энергетики и применения его как топлива в автотранспорте. Национальная академия наук Украины имеет значительный научный потенциал в данной области, подтвержденный прикладным использованием. Например, опыт эксплуатации ветроводородной станции, внедренной впервые в Европе в 1994 г. в Фолькецен-тре в Дании при участии ученых Института возобновляемой энергетики НАН Украины, подтвердил эффективность ее использования.
Основой работы таких систем является превращение электрической энергии, выработанной возобновляемыми источниками, в химическую энергию водорода с последующим использованием ее потребителями в виде электрической и тепловой энергии в зависимости от нужд потребителей.
Основным элементом системы аккумулирования на основе водорода, на который ориентирован расчет всех ее элементов, является установка для получения водорода. В свою очередь, выбор установки связан с энергетической мощностью возобновляемых источников энергии и находится в прямой зависимости от мощности электрогенерирующего оборудования.
При рассмотрении технических характеристик промышленных электролизных установок наиболее приемлемой для решения задач в комплексе с ветро-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
электрическими установками ранее считалась электролизная установка для производства водорода методом разложения воды типа СЭУ российского производства (они эксплуатируются и в настоящее время в промышленности, в частности на ТЭЦ). Было определено, что данная установка может эффективно использоваться в энергетических комплексах на основе возобновляемых источниках энергии, причем в процессе эксплуатации и проведения соответствующих научно-исследовательских работ возможны некоторые изменения в ее конструкции и режимах работы с целью усовершенствования процесса электролиза и повышения КПД установки. Для этого были реальные предпосылки - возможность изменения режимов работы (повышение рабочих температур и давления), замена материалов электродов, изменение расстояния между электродами, замена асбестовых диафрагм на диафрагмы из новых материалов и другое.
Таким образом, выбор установки СЭУ в период разработки и внедрения системы аккумулирования на основе водорода не только обеспечивал производство водорода, но и предусматривал возможность проведения научно-исследовательских работ с целью усовершенствования технологии получения водорода методом разложения воды [2]. Однако за последние годы созданы и выпускаются электролизные установки с более высокими технико-экономическими показателями (в частности электролизные установки итальянского производства типа WERDER MODEL), более эффективные и приемлемые для применения в возобновляемой энергетике
Использование водорода в комплексной энергосистеме осуществляется в таких вариантах:
- сжигание с получением тепловой энергии;
- превращение в электрическую энергию (мотор-генератор, топливные элементы);
- использование в автотранспорте.
Исследованы разные варианты использования
водорода в тепловых установках, проведены расчеты с учетом КПД установок. В условиях энергокомплекса на основе ВИЭ средней мощности может осуществляться сжигание водорода в горелках бытового и промышленного назначения. При использовании водорода для бытовых нужд используются плиты, оснащенные водородными горелками, например, унифицированные газовые плиты с некоторыми изменениями в конструкции горелок. Для обеспечения горячего водоснабжения и отопления домов водород сжигается с применением промышленных горелок.
Особенный интерес для получения электроэнергии представляют водородно-кислородные топливные элементы, при этом также решается проблема использования кислорода, полученного в процессе электролиза воды. В топливных элементах водород и кислород используются в соотношении две объемных части к одной соответственно.
Примеры комплексных энергосистем на основе ВДЕ
В результате научно-экспериментальных исследований, проведенных научными работниками ИВЭ НАН Украины, определены эффективные области применения разных типов аккумуляторов энергии в области возобновляемой энергетики, оптимальные режимы эксплуатации электрохимических аккумуляторов и созданы новые высокоэффективные тепло-аккумулирующие материалы. На их основе разработаны и внедрены системы аккумулирования энергии возобновляемых источников:
- система аварийного электрообеспечения жилищных и промышленных объектов;
- система аккумулирования электроэнергии для ветроэлектрических установок;
- система аккумулирования электрической энергии на основе водорода для ветроводородной станции мощностью 100 кВт.
Для стабильного и надежного энергообеспечения потребителей ВИЭ разработан ряд энергетических систем с применением разных комбинаций возобновляемых источников энергии и комплексным использованием разных типов аккумуляторов электрической и тепловой энергии:
- автономная система энергоснабжения на основе ветровых, солнечных установок и электрохимических аккумуляторов с применением автоматической системы управления режимами работы;
- комплексная энергосистема на основе ветровых, солнечных, био-, энергоустановок и систем аккумулирования тепловой и электрической энергии для индивидуальных фермерских хозяйств, жилищных и промышленных объектов;
- комплексная энергосистема для населенного пункта с применением ветровых и солнечных энергоустановок, систем аккумулирования электрической энергии, разветвленной системы аккумулирования тепловой энергии и межсезонной системы аккумулирования на основе водорода.
Разработанные комплексные энергетические системы на основе ВИЭ и системы аккумулирования прошли стадию научно-исследовательских работ, частично обеспечены конструкторской документацией и находятся на стадии подготовки к изготовлению опытных демонстрационных образцов. Определена эффективность применения в разных климатических зонах Украины ряда комплексных энергосистем на основе ВИЭ, наиболее перспективные из которых представлены ниже [1, 3].
Схематическое изображение составных элементов и работы комплексной энергосистемы для энергообеспечения жилых и промышленных объектов сельского хозяйства, показано на рис. 1.
В состав комбинированной энергосистемы входят: ветроэлектрическая установка (ВЭУ) мощностью 15 кВт, фотоэлектрическая солнечная батарея (ФБ) мощностью 50 Вт, гелиоустановка с рабочей
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
поверхностью 5 м2, биогазовая установка (БГУ) с рабочим объемом биореактора 3 м3, батарея электрохимических аккумуляторов емкостью 80 А-ч, тепловой аккумулятор энергоемкостью 100 кВт-ч.
Годовая эксплуатация такой комплексной энергосистемы в Киевской области обеспечивает около 16,5 т у.т. суммарной экономии традиционного топлива, в том числе: ветроустановка, при коэффициенте полезного использования (КПИ) 0,3, который дос-
тигается благодаря применению системы аккумулирования электрической энергии и блока автоматического управления режимами работы комплексной энергосистемы, экономит около 14,2 т у.т./год; фотобатарея - около 0,052 т у.т./год; гелиоустановка с тепловым аккумулятором экономит около 1,3 т у.т./год; биоустановка производит приблизительно 1100 нм3 биогаза, что эквивалентно 0,9 т у.т./год.
Рис. 1. Схема комплексной энергосистемы на основе ВИЭ Fig. 1. Scheme of the complex energy system based on renewable energy sources
Ветроустановка и фотобатарея производят электроэнергию, которая распределяется для последующего использования с помощью блока автоматического управления режимами работы комплексной энергосистемы. В первую очередь проводится заряд аккумуляторных батарей, обеспечивающих питание ламп освещения, радио- и телеаппаратуры, во вторую очередь идет заряд теплового аккумулятора. На тепловой аккумулятор поступает вся избыточная и некондиционная электроэнергия от ветроустановки и фотобатареи, а также тепловая энергия от гелиоустановки. Гелиоустановка используется в основном для обеспечения нужд горячего водоснабжения и, частично, нужд отопления. В теплые месяцы года, когда снижаются нужды хозяйства в тепловой энергии, горячая вода, полученная в процессе эксплуатации гелиоустановки, используется для поддержания технологической температуры в биоэнергетическом реакторе.
БГУ производит биогаз, используемый в основном на кухонные нужды, избыток биогаза используется в системе горячего водоснабжения и отопления. В холодное время года избыток биогаза используется
на собственные нужды БГУ - для поддержания технологической температуры реакции анаэробного сбраживания. Благодаря введению в энергосистему аккумуляторов энергии КПИ ветроустановки достигает 0,25-0,3, тогда как без систем аккумулирования КПИ находится в пределах 0,1-0,15.
Автономная электроэнергосистема на основе ВИЭ, схема которой представлена на рис. 2, предназначена для автономного электроснабжения объектов, удаленных от промышленной электросети (маяков, пастбищ, военных объектов, садовых домов, и др. [2, 3]. В ее состав входят: ветроустановка мощностью 2 кВт, солнечная фотобатарея мощностью 50 Вт, батарея электрохимических аккумуляторов емкостью 80 А-ч, автоматическая система управления режимами работы (АСУ). Данная комплексная энергосистема без применения аккумуляторов энергии может вырабатывать около 1,75 МВт-ч электроэнергии за год (КПИ ~ 0,1).Благодаря применению системы аккумулирования электрической энергии и блока автоматического управления режимами работы КПИ ветроустановки повышается до 0,3.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 2. Схема автономной электроэнергосистемы на основе ВИЭ Fig. 2. Scheme of autonomous electric energy system based on renewable energy sources
Электросеть -220 В
ФБ
Рис. 3. Схема подключения системы резервного электропитания: ФБ - фотоэлектрическая батарея; ВЭУ - ветроэлектрическая установка; 1 - выпрямитель, автоматика; 2 - аккумуляторная батарея;
3 - инвертор; П - потребители Fig. 3. Connection diagram of the back up power system: ФБ - photovoltaicbattery; ВЭУ - wind power plant; 1 - rectifier, automatic, 2 - rechargeable battery; 3 - inverter; П - consumers
Автономная энергосистема такого состава применяется в случаях электропитания потребителей постоянным током и напряжением 12 В (освещение, теле-, радиоаппаратура). В зависимости от нужд потребителей, в состав автономной энергосистемы может вводиться инвертор, обеспечивающий возможность подачи потребителям электроэнергии напряжением 220 В, 50 Гц. Энергосистема может также эффективно использоваться для катодной защиты трубопроводов.
Разработан и изготовлен демонстрационный образец системы резервного электропитания коммунальных и промышленных объектов для нетрадиционной и традиционной энергетики, схематическое изображение которой представлено на рис. 3. Расчет энергоемкости системы проводится в зависимости от нужд потребителей и параметров источника энергии; система формируется набором модулей аккумуляторных батарей в количестве, обеспечивающем получение необходимых технических показателей [1, 3].
Основными элементами ветроводородной станции (рис. 4) [2, 3] является ветроэлектрический агрегат и межсезонная система аккумулирования энергии на основе водорода. Система аккумулирования имеет в своем составе электролизную установку, оборудо-
вание для хранения водорода и кислорода и превращения водорода в энергию необходимого потребителям вида. Для получения электрической энергии используются топливные водород-кислородные элементы и мотор-генератор. Для обеспечения нужд потребителей в тепловой энергии водород сжигают в горелках бытового и промышленного назначения при некоторых изменениях в конструкции газовых горелок. Тепловой аккумулятор служит для утилизации технологического тепла процесса электролиза воды, которая значительно повышает общий КПД системы аккумулирования.
В проекте предусмотрены также разные варианты использования водорода и его топливных смесей с бензином в качестве топлива для заправки автотранспорта.
Особенно привлекательным является комплексное использование энергии возобновляемых источников на объектах, удаленных от линий электропередач и в местах, труднодоступных для их подведения. В данном случае расходы на доставку электроэнергии могут значительно превышать расходы на установку оборудования на основе возобновляемых источников энергии. Также внимание обращается на необходимость разработки комплексных
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
систем энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии для таких объектов, как большие дома отдыха, санатории, ботанические сады, заповедные зоны, размещенные на больших территориях. Их энергоснабжение усложнено и требует использования экологически чистых источников энергии. ИВЭ НАН Украины разработана и используется в качестве демонстрационного объекта комплексная
энергосистема фотоэлектрического и гелиоэнергети-ческого энергообеспечения корпуса ИВЭ НАН Украины в Ботаническом саду им. М.М. Гришко НАН Украины. Проектом предусмотрено экологически чистое электро- и теплоснабжение, а также создание экологически чистых транспортных средств Ботанического сада НАН Украины в г. Киеве за счет энергии возобновляемых источников.
Ветроагрегат
Эл.энергия
Аккумуляторная батарея
Электролизная установка
Н2 О2
1 i ' г
Рис. 4. Схема ветроводородной станции Fig. 4. Scheme of a wind hydrogen station
Топливные элементы, мотор-генератор
Потребители электроэнергии
Комплексные энергетические системы для жилых и промышленных объектов при компоновке, соответствующей данной климатической зоне, и при учете всех вышеприведенных факторов достаточно эффективны в эксплуатации по всей территории Украины. При определении оптимальных составляющих и мощности энергетического оборудования, которое входит в состав разных КЭС, установлено, что в средней и северной географических зонах Украины нецелесообразно достижение полной автономности - некоторую часть энергоснабжения более целесообразно компенсировать не увеличением мощности энергетического оборудования на основе ВИЭ, а использованием традиционного топлива. Для южных областей Украины, при применении пассивного теплового аккумулирования в летнее время можно достичь полной автономности таких объектов [2, 4].
На данном этапе первоочередной задачей является создание и внедрение уже разработанных комплексных энергосистем в разных климатических зонах Украины с использованием рекомендаций, разработанных в результате анализа предыдущих исследований, проведения натурных исследований, наработки и получения конкретных результатов, с целью определения оптимальных технических показателей и режимов работы энергетических устройств, которые входят в состав КЭС и всего комплекса в целом.
Выводы
1. Стабильное и бесперебойное обеспечение потребителей энергией необходимого качества за счет комплексного использования энергии возобновляемых источников и аккумуляторов энергии увеличивает шансы развития возобновляемой энергетики в разных отраслях ведения хозяйства, особенно автономной возобновляемой энергетики.
2. На ближайшую перспективу наибольшей эффективности можно достичь при внедрении комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии в местах недостаточного обеспечения электроэнергией и на объектах, удаленных от электросети. Наиболее эффективным внедрением комплексных энергосистем на основе ВИЭ на данное время является применение их в сельскохозяйственных комплексах, индивидуальных фермерских хозяйствах, индивидуальных жилых и садовых домах, в пансионатах, детских лагерях и на удаленных от электросети объектах (жилье пастухов, военные объекты, отдельные населенные пункты, и др.).
3. Потребность в системах аккумулирования зависит от объемов внедрения энергетического оборудования на основе возобновляемых источников энергии, которое в процессе эксплуатации не может достичь необходимых показателей без применения накопителей энергии. Так эксплуатация гелиотехни-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
ческого оборудования недостаточно эффективна без использования аккумуляторов тепла или холода; при эксплуатации автономных ветроэлектростанций без аккумуляторов электрической энергии использовать можно лишь 20-30% электроэнергии от технически возможного объема ее производства.
4. Для создания новых эффективных комплексных энергосистем и определения оптимальных режимов их эксплуатации необходимым является по-
следующее развитие научных основ возобновляемой энергетики с применением современной материально-технической базы, методического и информационно-аналитического обеспечения, которое ускорит выполнение научно-исследовательских, проектно-конструкторских и экспериментальных работ с внедрением комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии.
Список литературы
1. Мхитарян Н.М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников. К.: Наукова думка, 1999.
2. Кудря С.О. Нетрадицшш та вщновлюваш дже-рела енергп: пвдруч. К.: НТУУ, КП1, 2012.
3. Енергоефектившсть та вщновлюваш джерела енергп. Ки1в.: Украшсьш енциклопедичнi знання, 2007.
4. Яценко Л.В. Визначення ефективностi застосу-вання комбiнованих енергосистем на основi вiдновлюваних джерел енергп // Техшчна електродинамiка. Ч.1. Ки1в. 1999. С. 34-41.
5. Кудря С.О. Системи акумулювання i перетво-рення енергп вщновлюваних джерел, Докт. дис. Ки1в, 1996.
References
1. Mhitaran N.M. Energetika netradicionnyh i vozobnovlaemyh istocnikov. K.: Naukova dumka, 1999.
2. Kudra S.O. Netradicijni ta vidnovluvani dzerela energii: pidruc. K.: NTUU, KPI, 2012.
3. Energoefektivnist' ta vidnovluvani dzerela energii. Kiiv.: Ukrains'ki enciklopedicni znanna, 2007.
4. Acenko L.V. Viznacenna efektivnosti I
'IT)
zastosuvanna kombinovanih energosistem na osnovi vidnovluvanih dzerel energii // Tehnicna elektrodinamika. С.1. Kiiv. 1999. S. 41.-34
5. Kudra S.O. Sistemi akumuluvanna i peretvo-enna energii vidnovluvanih dzerel, Dokt. dis. Kiiv, 1996.
о
Транслитерация по ISO 9:1995 о
'С
CD О.
С
•32 о
QJ
to
0 *
01
.c
■Q
CL ^
с о
tt! с
CD
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
