CC BY
42
ELECTRICAL FACILITIES AND SYSTEMS
Антон Николаевич Яшин Anton N. Yashin
аспирант кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Андрей Сергеевич Бодылев Andrey S. Bodylev
аспирант кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
$ I
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Марат Ильгизович Хакимьянов Marat I. Khakimyanov
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
УДК 621.311, 621.311.24, 620.9
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-82-97
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Актуальность
Для удовлетворения растущих потребностей в электроэнергии населения, в особенности проживающего вдали от централизованных центров энергоснабжения, все более актуальным становится применение возобновляемых источников энергии. Кроме того, технологические процессы в нефтегазовой отрасли являются весьма энергоемкими. Предприятия нефтегазовой отрасли, расположенные в том числе в отдаленных районах (Крайний Север и т.д.) легче обеспечить энергоресурсами, в частности с использованием возобновляемых источников энергии. Важным вопросом является организация надежного электроснабжения в автономном режиме.
Также существующие технологии энергоснабжения не всегда легко адаптированы для использования на малых и средних предприятиях. Важную роль в этом вопросе могут сыграть возобновляемые источники энергии. Следовательно, исследование технологий автономной генерации электрической и тепловой энергии, рациональное ее потребление за счет использования энергосберегающих технологий весьма актуальны в настоящее время.
Цель исследования
Необходимо исследовать современные возобновляемые источники энергии. Необходимо выполнить обзор современных электростанций на возобновляемых источниках энергии, исследовать ветро-солнечный энергетический потенциал Республики Башкортостан. Важно провести эксперименты на лабораторной установке. Определить рабочие параметры, снять вольт-амперные характеристики и выбрать оптимальные режимы работы.
Объекты исследования
Возобновляемые источники энергии, лабораторная установка, солнечная электростанция, ветряная электростанция.
Методы исследования
Компьютерное моделирование, математические методы расчета и анализа.
Результаты
Смонтирован лабораторный комплекс для исследования ветро-солнечных энергетических установок. Разработаны компьютерные модели всех основных элементов лабораторного комплекса: ветрогенератора, фотоэлектрического преобразователя, аккумуляторных батарей. Проведены научные эксперименты.
Ключевые слова: возобновляемый источник энергии, солнечная электростанция, ветряная электростанция, ветрогенератор, ветропарк, фотоэлектрический модуль, лабораторный стенд, лабораторная установка
LABORATORY FACILITY FOR STUDYING THE APPLICATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCES
The relevance
The need for electricity among the population is constantly growing, especially among people living far from centralized energy supply centers. In addition, technological processes in the oil and gas industry are very energy intensive. Oil and gas industry enterprises located incl. in remote areas (Far North, etc.) it is easier to provide energy resources, in particular, using renewable energy sources. An important issue is the organization of reliable power supply in offline mode. Also, existing energy supply technologies are not always easily adapted for use in small and medium-sized enterprises. Renewable energy sources can play an important role in this matter. Therefore, research into technologies for autonomous generation of electrical and thermal energy, its rational consumption through the use of energy-saving technologies are very relevant at the present time.
Aim of research
It is necessary to investigate modern renewable energy sources. It is necessary to review modern power plants using renewable energy sources, to explore the wind and solar energy potential of the Republic of Bashkortostan. It is important to conduct experiments on a laboratory setup. Determine the operating parameters, take the current-voltage characteristics and select the optimal operating modes.
Research objects
Renewable energy sources, laboratory installation, solar power plant, wind farm.
Research methods
Computer modeling, mathematical methods of calculation and analysis.
Results
A laboratory complex for the study of wind-solar power plants was installed. Computer models of all the main elements of the laboratory complex have been developed: wind generator, photoelectric converter, storage batteries. Conducted scientific experiments.
Keywords: renewable energy source, solar power plant, wind power plant, wind generator, wind farm, photovoltaic module, laboratory bench, laboratory installation
Введение
Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится актуальным трендом практически во всех отраслях промышленности и коммунального хозяйства. Все крупные нефтегазовые, химические и машиностроительные компании инвестируют значительные средства в разработку и постройку солнечных и ветряных электростанций, которые снижают их зависимость от электроснабжа-ющих организаций [1]. Крупные заводы и даже университеты размещают на крышах своих цехов и корпусов солнечные батареи, покрывающие часть их потребностей в электроэнергии.
Следует отметить, что в настоящее время в нашей стране вложения в возобновляемую энергетику не всегда окупают себя. Оборудование имеет слишком высокую стоимость, коэффициент полезного действия солнечных панелей недостаточно высокий и снижается с каждым годом эксплуатации. Ветрогенераторы окупаются только при достаточно большом их количестве. Однако данная ситуация является временной, все более жесткие требования охраны окружающей среды, процессы декарбонизации промышленности заставляют энергетику переориентироваться от углеводородной сырьевой базу в сторону использования возобновляемых источников [2].
В этих условиях на предприятиях различных отраслей промышленности появляется потребность в специалистах для проектирования, монтажа и эксплуатации энергетических установок на основе ВИЭ. Для качественной подготовки студентов соответствующих специальностей
требуется современная лабораторная база, позволяющая исследовать солнечные и ветряные электростанции.
Обзор современных электростанций на возобновляемых источниках энергии
В настоящее время наиболее широко из ВИЭ используются гидроэлектростанции (ГЭС), ветрогенераторы и солнечные электростанции. Самой большой мощностью обладают гидроэлектростанции [3], самыми мощными из которых являются «Три ущелья» (Китай), «Итайпу» (Бразилия и Парагвай), «Силоду» (Китай), «Гури» (Венесуэла), «Тукуруи» (Бразилия), «Гранд-Коули» (США) и Саяно-Шушенская ГЭС (Россия) [4, 5]. Информация по ним приведена в таблице 1.
Недостатками ГЭС является затопление больших территорий для создания водохранилищ, а также опасность техногенных катастроф, которые могут привести к большому количеству жертв (взрыв ДнепроГЭС в годы войны, авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г.)
Следует отметить, что активно развивается также направление использования микроГЭС, в котором ГЭС небольшой мощности используются для электроснабжения отдельных деревень, домов и небольших агропромышленных предприятий [6]. Такие микроГЭС не оказывают большого воздействия на окружающую среду и не несут в себе опасности техногенных катастроф. Однако содержание и техобслуживание таких небольших электростанций связано с определенными затратами.
Таблица 1. Информация по крупнейшим гидроэлектростанциям
Table 1. Information on the largest hydroelectric power plants
Наименование гидроэлектростанции Страна Река Установленная мощность, МВт
Hydroelectric power plant name Country River Installed capacity, MW
1 Три ущелья/Three gorges Китай/China Янцзы/Yangtze 22500
2 Байхэтань/Baihetan Китай/China Янцзы/Yangtze 16000
3 Итайпу/Itaipu Бразилия-Парагвай/ Brazil-Paraguay Парана/Parana 14000
4 Силоду/Siloda Китай/China Янцзы/Yangtze 13860
5 Белу Монти/Belo Monti Бразилия/Brazil Шингу/Xingu 11233
6 Гури/Guri Венесуэла/Venezuela Карони/Caroni 10235
7 Удундэ/Udunde Китай/China Янцзы/Yangtze 10200
8 Тукуруи/Tucurui Бразилия/Brazil Токатинс/ Tokatins 8370
9 Тасанг/Tasang Мьянма/Myanmar Салуин/ Salween 7110
10 Гранд-Кули/Grand Coulee США/USA Колумбия/ Colombia 6809
11 Хидасэ/Hidase Эфиопия/Ethiopia Голубой Нил/ Blue Nile 6450
12 Сянцзяба/Xiangjiaba Китай/China Янцзы/Yangtze 6448
13 Лутань/Lutan Китай/China Хуншуйхэ/ Hongshuihe 6426
14 Саяно-Шушенская/ Sayano-Shushenskaya Россия/Russia Енисей/Yenisei 6400
15 Тарбела/Tarbela Пакистан/Pakistan Инд/Ind 3478
16 Красноярская/Krasnoyarsk Россия/Russia Енисей/Yenisei 6000
Ветровые электростанции (ВЭС) достаточно активно устанавливаются как в России, так и во всем мире [7]. Промышленностью выпускаются ветро-генераторы мощностью от единиц киловатт для загородных домов до 6 МВт и более — для крупных ветропарков [8]. Применяются ВЭС следующих типов: наземные, прибрежные, шельфовые, горные, плавающие и парящие.
Среди наиболее крупных ВЭС в мире можно выделить «Ганьсу» (Китай), «Муппандал» (Индия), «Джайсалмер» (Индия), «Альта» и «Шефердс Флэт» (США) [9, 10]. Среди российских ВЭС крупнейшими являются «Кочубеевская»,
«Адыгейская», «Бондаревская», «Марчен-ковская» и другие. Информация о крупнейших ВЭС России и мира приведена в таблице 2.
Ветровые электростанции хоть и относятся в «зеленым» источникам энергии, но оказывают некоторое воздействие на экологию окружающей среды [11, 12]. Так законодательством некоторых стран ограничиваются максимальный уровень шума, производимого ветротурбинами, и минимальное расстояние до жилых домов
[13].
Одиночно стоящие ветрогенераторы, как правило, не являются рентабельными. Окупаются только ветропарки, состоя-
Таблица 2. Информация о крупнейших ветровых электростанциях России и мира Table 2. Information about the largest winds power plants in Russia and the world
Наименование ветровой электростанции Страна Установленная мощность, МВт
Winds power plant name Country Installed capacity, MW
1 Ганьсу/Gansu Китай/China 7 965
2 Муппандал/Muppandal Индия/India 1 500
3 Джайсалмер/Jaisalmer Индия/India 1 064
4 Лльта/Alta США/USA 1020
5 Шефордс Флэт/Shefords Flat США/USA 845
6 Лондон Эррей/London Array Англия/England 630
7 Кочубеевская ВЭС/Kochubeevskaya WPP Россия/Russia 210
8 Адыгейская ВЭС/Adygei WPP Россия/Russia 150
9 Бондаревская ВЭС/Bondarevskaya WPP Россия/Russia 120
10 Марченковская ВЭС/Marchenkovskaya WPP Россия/Russia 120
11 Казачья ВЭС/Kazachya WPP Россия/Russia 100
12 Целинская ВЭС/Tselinskaya WPP Россия/Russia 100
13 Гуковская ВЭС/Gukovskaya WPP Россия/Russia 100
14 Каменская ВЭС/Kamenskaya WPP Россия/Russia 100
15 Салынская ВЭС/Salyn WPP Россия/Russia 100
16 Сулинская ВЭС/Sulinskaya WPP Россия/Russia 100
щие из десятков и сотен ветрогенерато-ров.
Рассматривая наиболее обширно развивающиеся направления в мировой энергетике, можно смело сказать, что самый динамичный рост наблюдается в плоскости функционирования солнечных электростанций (СЭС) [14]. СЭС подразделяются на несколько типов: тарельчатые, башенные, аэростатные, солнечно-вакуумные, параболоцилиндрические концентраторные и комбинированные [15]. Наиболее распространены СЭС на основе фотоэлектрических модулей.
Информация по наиболее мощным СЭС в России и мире приведена в таблице 3.
В России наиболее крупными являются СЭС «Перово» мощностью 105,6 МВт, Самарская СЭС — 75 МВт, СЭС «Николаевка» — 69,7 МВт (Крым),
Ахтубинская СЭС (Астраханская область) — 60 МВт.
Солнечная энергетика также развивается в Республике Башкортостан: Бури-баевская СЭС (20 МВт), Бугульчанская СЭС (10 МВт) и Исянгуловская СЭС (9 МВт). Кроме того, ведется строительство еще нескольких электростанций.
Столь стремительное развитие ветро-солнечной энергетики вызывает рост потребности предприятий энергетических отраслей промышленности в специалистах для проектирования, монтажа, пусконаладки и эксплуатации ВЭС и СЭС.
Лабораторная установка
для исследования ветро-солнечных
энергетических установок
С целью повышения качества подготовки бакалавров и магистров направлений 13.03.02 и 13.04.02 «Электро-
Таблица 3. Информация по наиболее мощным солнечных электростанциям в России и мире
Table 3. Information about the most powerful solar power plants in Russia and the world
Наименование солнечной электростанции Solar power plant name Страна Country Установленная мощность, MВт Installed capacity, MW
1 Солнечный парк Тэнгер/ Tanger Solar Park K^raM/China 1 547
2 Солнечный парк Бхадла/ Bhadla Solar Park Индия/India 1 365
3 Солнечная электростанция Лунъянся/ Longyangxia Solar Power Plant Индия/India 1 064
4 Солнечная электростанция Villanueva/ Villanueva Solar Power plant Mексика/Mexico S2S
5 Солнечная электростанция Камути/ Kamuti Solar Power Plant Индия/India 64S
6 Солнечная электростанция Solar Star/ Solar Star Solar Power Plant США/USA 5S0
7 Солнечная электростанция имени Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума/ Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Power Plant оаэ/uae 213
S СЭС Перово/ SPP Perovo Россия/Russia 105,56
9 Старомарьевская СЭС/ Staromaryevskaya SPP Россия/Russia 100
10 СЭС Охотниково/SPP Okhotnikovo Россия/Russia 82,6
11 Фунтовская СЭС/Funtovskaya SPP Россия/Russia 75
12 Самарская СЭС/ Samara SPP Россия/Russia 75
энергетика и электротехника», а также для проведения научных исследований аспирантов на кафедре электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» была разработана и смонтирована лабораторная установка для исследования ветро-солнечных электростанций.
Структурная схема лабораторной установки показана на рисунке 1. Она включает в себя ветрогенератор мощностью 1 кВт фирмы YASHEL (7), две солнечные панели мощностью 280 Вт фирмы YASHEL (2), контроллер ветрогенератора FKJ-A1-1KW 24V фирмы YASHEL (3), контроллер заряда для солнечных батарей DELTA Solar Series серии MPPT (4), инвертор напряжения EP30 PLUS-
1.5KW/24V (5), два гелевых аккумулятора емкостью 100 А-ч (6) и нагрузку в виде светодиодного прожектора.
Фотография смонтированной установки показана на рисунке 2.
Моделирование ветро-солнечной
энергетической установки
Построена компьютерная модель данной ветро-солнечной энергетической установки в пакете Matlab Simulink.
Одним из основных этапов построения модели является система фотоэлектрического преобразователя, модель которой изображена на рисунке 3.
Задачи фотоэлектрической солнечной батареи выполняет блок Solar Cell. Данный блок включает в себя следующие компоненты: солнечно вызванный ток,
ШКАФ УПРАВЛЕНИЯ ВСЭС
RT>
1 — ветрогенератор; 2 — солнечные панели; 3 — контроллер ветрогенератора; 4 — контроллер солнечных панелей; 5 — инвертор; 6 — аккумуляторы
1 — wind generator; 2 — solar panels;
3 — wind generator controller;
4 — solar panel controller; 5 — inverter; 6 — accumulators
Рисунок 1. Структурная схема лабораторной установки Figure 1. Structural diagram of the laboratory device
Рисунок 2. Фотография смонтированной установки
Figure 2. Photo of the assembled unit
Current Measurementl
Ï
nJ
Rnh/Rr ■
©
Solar G Bill
Voltage Sensorl
PS-Simulii* ConverterZ
С antra lied Curri Diode
£
Series RLC Br
1
S2 у-
T ?
J_I
ll
a
Volage Measure menl
□
Scopel
Solver
Configuration -i-
Рисунок 3. Модель системы фотоэлектрического преобразователя Figure 3. Photovoltaic converter system model
4
2
температурную зависимость и тепловой порт [16].
Также модель системы фотоэлектрического преобразователя включает параллельно соединенные диод, резистор, конденсатор и активную нагрузку.
Следующим этапом является построение модели ветроэнергетической установки, изображенной на рисунке 4.
Основной блок данной модели — это Wind Turbine Induction Generator (WTIG). Обмотка статора соединяется непосредственно с сетью, ротор управляется ветряным двигателем. Мощность, полученная ветряным двигателем, преобразована в электроэнергию генератором и передается в сеть обмоткой статора. Углом подачи управляют для того, чтобы ограничить выходную мощность генератора ее номинальной скоростью при сильном ветре. Для того, чтобы произвести энер-
гию, скорость генератора должна быть немного выше синхронной скорости. Но изменение скорости обычно так мало, что WTIG считается ветрогенератором фиксированной скорости.
Также модель ветроэнергетической установки состоит из трехфазного источника питания, параллельно соединенных диода, резистора, конденсатора и активной нагрузки.
Основной блок данной модели — блок Battery. Данный блок реализует общую динамическую модель, которая представляет самые популярные типы аккумуляторных батарей.
Модель системы аккумулирования энергии состоит из блока аккумуляторной батареи, двунаправленного блока постоянного тока (БПТ) и схемы контроля БПТ (рисунок 5).
Continuous
Рисунок 4. Модель ветроэнергетической установки Figure 4. Wind turbine model
PID Dorrüdlerl
Рисунок 5. Модель системы аккумулирования энергии Figure 5. Energy storage system model
Двунаправленный блок постоянного тока позволяет реализовать сложные комбинированные системы электроснабжения, включая ветро-солнечную энергетическую установку. Двунаправленный БПТ используется с целью передать энергию от фотоэлектрической панели источнику энергии в течение времени, когда скорость ветра и уровень солнечной радиации достаточны, чтобы удовлетворить нагрузку, когда напряжение на шине постоянного тока низкое.
Объединив модели системы фотоэлектрического преобразователя, ветроэнергетической установки и системы аккумулирования энергии, получаем модель ветросолнечной энергетической установки, представленную на рисунке 6.
Эксперименты, проводимые
на лабораторной установке
Лабораторная установка предназначена для использования в учебном процессе на кафедре электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВО «УГНТУ» при подготовке магистров программы «Альтернативные и возобновляемые источники и накопители энергии», а также для проведения научных экспериментов аспирантами кафедры.
Установка позволяет проводить следующие эксперименты:
— определение напряжения холостого хода солнечных панелей;
— определение тока короткого замыкания солнечных панелей;
— снятие вольт-амперных характеристик солнечных элементов;
— исследование зависимости мощности ветрогенератора от скорости ветра;
— исследование вольт-амперной характеристики ветрогенератора в зависимости от вида нагрузки;
— исследование ветро-солнечного энергетического потенциала Республики Башкортостан.
Один из базовых параметров солнечных элементов — напряжение холостого хода ихх, которое создает каждый солнечный элемент. Данное значение напряжения является максимальным и наблюдается при нулевом токе. Это напряжение численно равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения р-п перехода, который наблюдается в ситуации появления светового потока. Необходимо обратить внимание, что ихх отдельного элемента может варьироваться от элемента к элементу даже в пределах одной партии от одного и того же
Рисунок 6. Модель ветро-солнечной энергетической установки Figure 6. Model of a wind-solar power plant
производителя и может составлять около 0,5 В.
Следовательно, при сборке солнечных панелей необходимо выбирать ячейки с одинаковыми напряжениями холостого хода, иначе конечное КПД будет меньше расчетного максимума.
Для выполнения лабораторной работы требуется стенд с солнечными панелями.
В случае разной освещенности значения фото-ЭДС (или ихх) равны точкам пересечения оси напряжения и вольт-амперной характеристики. (Фото-ЭДС ~ 0,50-0,55 В для кремниевого элемента). Таким образом, в зависимости от освещённости (интенсивности источника света) изменяется значение напряжения холостого хода [17].
Опыт проводится при изменении мощности источника света от 30 % до 100 %. Варьируя значение для каждого испытуемого элемента, заполняется таблица. В ходе выполнения лабораторных исследований напряжение холостого хода следует измерять 3 раза.
Напряжение холостого хода также зависит от угла наклона солнечных элементов, который при 100 %-ой интенсивности света изменяется от 0° до 90° с шагом 10°.
Для моделирования изучаемого процесса в диаграмму добавляется линия тренда с высоким значением R2 (чем ближе значение Я2 к 1, тем ближе линия тренда приближается к изучаемому процессу) [18].
Таким образом, можно проанализировать, как изменяется напряжение холостого хода.
Следующий эксперимент заключается в определении тока короткого замыкания солнечных батарей в зависимости от угла наклона элемента и интенсивности источника света. Значение токов короткого замыкания 1КЗ соответствуют точкам пересечения оси тока с вольт-амперной характеристикой. В случае среднего сол-
нечного света плотность тока короткого замыкания для кремниевых элементов будет равняться ~20-25 мА/см2.
Это происходит в результате генерации и разделения носителей, генерируемых светом. Ток короткого замыкания в случае рассмотрения его в идеальном солнечном элементе, имеющем умеренные резистив-ные потери, будет равен световому потоку. Из этого следует, что ток короткого замыкания может быть рассмотрен в качестве максимального тока, генерируемого солнечным элементом.
Ток короткого замыкания прямо пропорционален интенсивности света: при малой освещенности зависимость 1КЗ ~ J носит линейный характер, поскольку ток 1КЗ прямо пропорционален числу образовавшихся электронно-дырочных пар:
К ~ & (1)
где & — количество образовавшихся электронно-дырочных пар.
Наблюдается прямая пропорциональность количества поглощённых квантов света к электронно-дырочным парам:
Ш = (2)
где а — показатель поглощения, J — интенсивность света, П — внутренний квантовый выход. Внутренний квантовый выход для кремниевых фотодиодов достигает 100. При помощи экспериментального соотношения 1КЗ(Г) можно узнать квантовую эффективность. Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение максимальной мощности, получаемой от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, который подаётся на рабочую поверхность:
Л
Р
_ шах
(3)
При измерении в лаборатории фиксируется максимально возможный ток для солнечного элемента в данных условиях. Затем программное обеспечение автоматически снижает нагрузку до макси- 91
мально возможной. Ток короткого замыкания в этих условиях фиксируют с помощью амперметра. Опыт проводится путем изменения мощности источника света от 30 % до 100 %. Угол солнечного элемента при 100 %-ой интенсивности света изменяется от 0° до 90° с шагом 10°. Ток короткого замыкания необходимо измерять 3 раза [19].
Смысл следующего эксперимента с солнечными элементами заключается в непосредственном снятии вольт-амперной характеристики. Данная характеристика является одной из основных, когда речь идёт о солнечных элементах.
Поскольку рабочей областью является прямо смещенная и обратно смещенная область р-п перехода, вольтамперная характеристика фотоэлемента обычно обратная [20].
Все типы солнечных элементов основаны на полупроводниках и поэтому являются нелинейными устройствами, и закон Ома в линейной форме к ним не применяется. Следовательно, используется графический метод.
В начале лабораторных измерений регулятор мощности источника света устанавливается на максимум (100 %). Программное обеспечение автоматически сканирует и отображает информацию о мощности, генерируемой солнечным элементом, как функцию приложенной нагрузки (тока). Относительная погрешность отображаемых графиков увеличивается при низкой освещенности солнечного элемента. Полученные графики позволяют определить максимальную мощность рмакс., мВт, эффективное напряжение иэфф., мВ, и эффективный ток 1эфф., мА [21].
Опыт проводится при изменении мощности источника света от 50 % до 100 %.
Можно вывести зависимость и оценить эффективность преобразования солнечной батареи, которая определяется как
отношение по формуле КПД и выглядит следующим образом [22]:
11 = 5^-100%, (4)
Р
где Руд ^ = —^ — максимальная удельная
мощность солнечного элемента при 100 % интенсивности источника света, Вт/м2 [23];
рпад. — мощность падающего оптического излучения, равна 60 Вт/м2.
Следующий опыт: исследование зависимости мощности ветрогенератора от скорости ветра.
Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра так же, как мощность солнечной панели зависит от яркости солнца или мощность гидротурбины зависит от скорости воды [24].
Лучшие горизонтальные ветроуста-новки могут улавливать до 47 % энергии ветра, а баррельные ветряки — до 25 %. Обычный средний КПД горизонтального ветрогенератора составляет 0,4 и он непостоянен, поскольку лопасти имеют фиксированные аэродинамические формы, которые могут работать с максимальной эффективностью только при определенной скорости ветра. То же самое верно и для вертикальных роторов, так как их лопасти также имеют фиксированный размер [25].
Мощность ветрогенератора определяет скорость ветрового потока. Размер винта также определяет площадь ветрового потока, в которой может быть взята энергия [26].
По мере увеличения скорости ветра ветряное колесо начинает вращаться сильнее, поэтому генератор вырабатывает больше энергии для зарядки аккумуляторов и обеспечения полезной нагрузки. В этом случае блок управления выдает сигнал и постепенно увеличивает потребляемую нагревательными элементами мощность, что позволяет полностью
использовать энергию ветра. Если поток ветра уменьшается, скорость ветроколеса также уменьшается, и блок управления снова посылает сигнал, который снижает потребление энергии нагревательными элементами до их остановки. Это означает, что блок управления может поддерживать скорость ветроколеса и нагрузку генератора для заданной скорости ветра.
При больших скоростях ветра велик риск выхода из строя редуктора и генератора, поэтому необходима система автоматического торможения.
В прибрежных районах Дальнего Востока среднегодовая скорость ветра составляет 8 м/с. А средний показатель для Дании — мирового лидера в области электроэнергетики — составляет 5 м/с [27].
Во время работы ветрогенератора производится ток, так как его напряжение напрямую зависит от скорости ветра, он нестабилен. Именно поэтому одним из основных элементов комплектации альтернативной электроустановки является контроллер заряда аккумуляторов.
Для того, чтобы рассчитать, как быстро должен заряжаться аккумулятор при суточном потреблении
£сут =26,25 кВт-ч, (6)
нужно найти среднее ежечасное потребление:
(7)
W = Дж,
(9)
Е ч ="
суг.
24
Е =^Lij09KBT-4. 24
где т — масса воздуха, кг; V — скорость воздуха, м/с. Массу воздуха можно выразить следующей формулой:
т = Г^-Б-р, кг, (10)
где $ — площадь, описываемая винтом ветрогенератора;
р — плотность воздуха. Мощность Р определяется по формуле: Г'-Б-р
Р =
Вт.
(11)
Когда умножим выражение на коэффициент преобразования энергии ветра (^), можно получить реальную мощность ветрогенератора [29]:
Р =
-, Вт.
(12)
(8)
В этом случае скорость заряда аккумулятора должна составлять 1,09 кВт/ч. В будние дни в дневное время энергопотребление будет минимальным, точно так же, как и в ночное время. Соответственно, основное потребление будет происходить утром и вечером.
Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений), определяется по формуле [28]:
Мощность ветродвигателя пропорциональна третьей степени скорости ветра [30].
В ходе лабораторных исследований при плавном увеличении частоты вращения вентилятора от 15 до 50 Гц с определенным шагом измерялись значения мощности.
Следующий опыт: исследование воль-тамперной характеристики ветрогенератора в зависимости от вида нагрузки.
Вольтамперная характеристика ветрогенератора зависит от вида нагрузки. При активной нагрузке (cos ф = 1,0) напряжение на генераторе падает при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной в диапазоне от 10 % до 20 % напряжения холостого хода генератора. Когда нагрузка генератора изменяется от холостого хода до номинальной нагрузки, напряжение падает на 20-30 % от напряжения холостого хода. При активной емкостной нагрузке (cos ф = 0,8) напряжение на генераторе несколько увеличивается за счет намагничивающего действия реакции якоря.
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
Выводы
1. В настоящее время во всем мире наблюдается переход энергетики к использованию возобновляемых источников, таких как энергия солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн и других. Так, мощности крупнейших ветровых электростанций достигают 8 ГВт, а крупнейших солнечных электростанций — 1,5 ГВт. В Республике Башкортостан в настоящее время введены в строй три солнечные электростанции (мощностью до 20 МВт), ведется строительство еще нескольких.
2. В связи с этим ведущие вузы начали подготовку бакалавров и магистров по программам, связанным с проектированием, монтажом, эксплуатацией и обслуживанием ветровых и солнечных электростанций. Так, в Уфимском госу-
Список литературы
1. Almoghayer M.A., Woolf D.K., Da-vies G. Integration of Tidal Energy into an Island Energy System — A Case Study of Orkney Islands // 7th PRIMaRE Conference, Plymouth. 2020. P. 122547.
2. Amjith L., Bavanish B. A Review on Biomass and Wind as Renewable Energy for Sustainable Environment // Chemosphere. 2022. Vol. 293. P. 133579.
3. Fouz D.M., Carballo R., Lopez I., Igleasias G. Tidal Stream Energy Potential in the Shannon Estuary // Renewable Energy. 2022. Vol. 185. P. 61-74.
4. Richardson R.L., Buckham B., McWhinnie L.H. Mapping a Blue Energy Future for British Columbia: Creating a Holistic Framework for Tidal Stream Energy Development in Remote Coastal Communities // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 157. P. 112032.
5. Rocha J., Abreu T., Felgueiras C. Evaluation of Potential Tidal Impoundment Energy Systems in Ria de Aveiro, Portugal // Energy Reports. 2020. Vol. 6. P. 226-230.
6. Baek H., Chung J. B., Yun G. W. Differences in Public Perceptions of Geothermal Energy Based on EGS Technology in Korea
дарственном нефтяном техническом университете начата подготовка магистров по программе «Альтернативные и возобновляемые источники и накопители энергии».
3. С целью повышения качества подготовки магистров по программе «Альтернативные и возобновляемые источники и накопители энергии», а также для проведения научных экспериментов аспирантами был смонтирован лабораторный комплекс для исследования ветро-солнечных энергетических установок.
4. В математическом пакете Matlab Simulink были сгенерированы компьютерные модели всех основных элементов лабораторного комплекса: ветрогенера-тора, фотоэлектрического преобразователя, аккумуляторных батарей.
after the Pohang Earthquake: National vs. Local // Technological Forecasting and Social Change. 2021. Vol. 172. P. 121027.
7. Du X. Dielectric Elastomer Wave Energy Harvester with Self-Bias Voltage of an Ancillary Wind Generator to Power for Intelligent Buoys // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 253. P. 115178.
8. Correa K.C., Uriona-Maldonado M., Vaz C.R. The Evolution, Consolidation and Future Challenges of Wind Energy in Uruguay // Energy Policy. 2022. Vol. 161. P. 112758.
9. Gamel J., Bauer A., Decker T., Menrad K. Financing Wind Energy Projects: An Extended Theory of Planned Behavior Approach to Explain Private Households' Wind Energy Investment Intentions in Germany // Renewable Energy. 2022. Vol. 182. P. 592-601.
10. Lebbihiat N., Atia A., Arici M., Noure-ddine M. Geothermal Energy Use in Algeria: A Review on the Current Status Compared to the Worldwide, Utilization Opportunities and Coun-termeasures // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 302. P. 126950.
11. Gormo V.G. Wind Power as an Alternative to Sustain the Energy Needs in Garoua and Guider, North Region of Cameroon // Energy Reports. 2021. Vol. 7. P. 814-829.
12. Novikau A. Current Challenges and Prospects of Wind Energy in Belarus // Renewable Energy. 2022. Vol. 182. P. 10491059.
13. Cousse J., Trutnevyte E., Hahnel U.J. Tell Me how You Feel about Geothermal Energy: Affect as a Revealing Factor of the Role of Seismic Risk on Public Acceptance // Energy Policy. 2021. Vol. 158. P. 112547.
14. Kan A., Zeng. Y., Meng X., Wang D. The Linkage between Renewable Energy Potential and Sustainable Development: Understanding Solar Energy Variability and Photovoltaic Power Potential in Tibet, China // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2021. Vol. 48. P. 101551.
15. Dezfouli M.M.S., Sopian K., Kadir K. Energy and Performance Analysis of Solar Solid Desiccant Cooling Systems for Energy Efficient Buildings in Tropical Regions // Energy Conversion and Management: X. 2022. P. 100186.
16. Montoya-Duque L., Arango-Aramburo S., Arias-Gaviria J. Simulating the Effect of the Pay-as-You-Go Scheme for Solar Energy Diffusion in Colombian Off-Grid Regions // Energy. 2022. Vol. 244. P. 123197.
17. Lan H., Gou Z., Xie X. A Simplified Evaluation Method of Rooftop Solar Energy Potential Based on Image Semantic Segmentation of Urban Streetscapes // Solar Energy. 2021. Vol. 230. P. 912-924.
18. Li X., Gao Q., Cao Y., Yang Y. Optimization Strategy of Wind Energy Harvesting via Triboelectric-Electromagnetic Flexible Cooperation // Applied Energy. 2022. Vol. 307. P. 118311.
19. Zhang W., Li Z., Zhang C., Lin Y, Zhu H., Meng Z., Wu D. Improvement of the Efficiency of Volumetric Solar Steam Generation by Enhanced Solar Harvesting and Energy Management // Renewable Energy. 2022. Vol. 183. P. 820-829.
20. Reyes A. Sawdust Drying in a Series of Rectangular Base Spouted Beds Using Solar Energy // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 48. P. 103881.
21. Yasmeen R., Yao X., Padda I., Shah W. Exploring the Role of Solar Energy and Foreign Direct Investment for Clean Environment: Evidence from Top 10 Solar Energy Consuming Countries // Renewable Energy. 2022. Vol. 185. P. 147-158.
22. Tong G., Chen Q., Xu H. Passive Solar Energy Utilization: A Review of Envelope Material Selection for Chinese Solar Greenhouses // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 50. P. 101833.
23. Rowinska P.A., Veraart A.E.D., Gruet P. A Multi-Factor Approach to Modelling the Impact of Wind Energy On Electricity Spot Prices // Energy Economics. 2021. Vol. 104. P. 105640.
24. Rajabi M.M., Chen M., Bozorgpour A., Izady A. Stochastic Techno-economic Analysis of CO2-Circulated Geothermal Energy Production in a Closed Reservoir System // Geothermics. 2021. Vol. 96. P. 102202.
25. Pan J. Improve Efficiency of Harvesting Wind Energy by Integrating bi-Stability and Swinging Balls // Mechanical Systems and Signal Processing. 2022. Vol. 170. P. 108816.
26. Shahzad U., Schneider N., Jebli M. How Coal and Geothermal Energies Interact with Industrial Development and Carbon Emissions? An Autoregressive Distributed Lags Approach to the Philippines // Resources Policy. 2021. Vol. 74. P. 102342.
27. Yu J., Tang Y.M., Chau K.Y., Nazar R. Role of Solar-Based Renewable Energy in Mitigating CO2 Emissions: Evidence from Quantile-On-Quantile Estimation // Renewable Energy. 2022. Vol. 182. P. 216-226.
28. Zhang Y., Wang W., Wang Z., Gao M. Green Building Design Based on Solar Energy Utilization: Take a Kindergarten Competition Design as an Example // Energy Reports. 2021. Vol. 7. P. 1297-1307.
29. Solman H., Kirkegaard J.K., Smits M., Wlient B.J.M.V. Digital Twinning as an Act of Governance in the Wind Energy Sector // Environmental Science & Policy. 2022. Vol. 127. P. 272-279.
30. Shetty C., Priyam A. A Review on Tidal Energy Technologies // Materials Today: Proceedings. 2021.
References
1. Almoghayer M.A., Woolf D.K., Da-vies G. Integration of Tidal Energy into an Island Energy System — A Case Study of Orkney Islands. 7th PRIMaRE Conference, Plymouth, 2020, pp. 122547.
2. Amjith L., Bavanish B. A Review on Biomass and Wind as Renewable Energy for
Sustainable Environment. Chemosphere, 2022, Vol. 293, pp. 133579.
3. Fouz D.M., Carballo R., Lopez I., Igleasias G. Tidal Stream Energy Potential in the Shannon Estuary. Renewable Energy, 2022, Vol. 185, pp. 61-74.
4. Richardson R.L., Buckham B., McWhin-nie L.H. Mapping a Blue Energy Future for British Columbia: Creating a Holistic Framework for Tidal Stream Energy Development in Remote Coastal Communities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, Vol. 157, pp. 112032.
5. Rocha J., Abreu T., Felgueiras C. Evaluation of Potential Tidal Impoundment Energy Systems in Ria de Aveiro, Portugal. Energy Reports, 2020, Vol. 6, pp. 226-230.
6. Baek H., Chung J. B., Yun G. W. Differences in Public Perceptions of Geothermal Energy Based on EGS Technology in Korea after the Pohang Earthquake: National vs. Local. Technological Forecasting and Social Change, 2021, Vol. 172, pp. 121027.
7. Du X. Dielectric Elastomer Wave Energy Harvester with Self-Bias Voltage of an Ancillary Wind Generator to Power for Intelligent Buoys. Energy Conversion and Management, 2022, Vol. 253, pp. 115178.
8. Corrêa K.C., Uriona-Maldonado M., Vaz C.R. The Evolution, Consolidation and Future Challenges of Wind Energy in Uruguay. Energy Policy, 2022, Vol. 161, pp. 112758.
9. Gamel J., Bauer A., Decker T., Menrad K. Financing Wind Energy Projects: An Extended Theory of Planned Behavior Approach to Explain Private Households' Wind Energy Investment Intentions in Germany. Renewable Energy, 2022, Vol. 182, pp. 592-601.
10. Lebbihiat N., Atia A., Arici M., Noure-ddine M. Geothermal Energy Use in Algeria: A Review on the Current Status Compared to the Worldwide, Utilization Opportunities and Countermeasures. Journal of Cleaner Production, 2021, Vol. 302, pp. 126950.
11. Gormo V.G. Wind Power as an Alternative to Sustain the Energy Needs in Garoua and Guider, North Region of Cameroon. Energy Reports, 2021, Vol. 7, pp. 814-829.
12. Novikau A. Current Challenges and Prospects of Wind Energy in Belarus. Renewable Energy, 2022, Vol. 182, pp. 1049-1059.
13. Cousse J., Trutnevyte E., Hahnel U.J. Tell Me how You Feel about Geothermal Energy: Affect as a Revealing Factor of the Role of Seismic Risk on Public Acceptance. Energy Policy, 2021, Vol. 158, pp. 112547.
14. Kan A., Zeng. Y., Meng X., Wang D. The Linkage between Renewable Energy Potential and Sustainable Development: Understanding Solar Energy Variability and Photovoltaic Power Potential in Tibet, China. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2021, Vol. 48, pp. 101551.
15. Dezfouli M.M.S., Sopian K., Kadir K. Energy and Performance Analysis of Solar Solid Desiccant Cooling Systems for Energy Efficient Buildings in Tropical Regions. Energy Conversion and Management: X, 2022, pp. 100186.
16. Montoya-Duque L., Arango-Aram-buro S., Arias-Gaviria J. Simulating the Effect of the Pay-as-You-Go Scheme for Solar Energy Diffusion in Colombian Off-Grid Regions. Energy, 2022, Vol. 244, pp. 123197.
17. Lan H., Gou Z., Xie X. A Simplified Evaluation Method of Rooftop Solar Energy Potential Based on Image Semantic Segmentation of Urban Streetscapes. Solar Energy, 2021, Vol. 230, pp. 912-924.
18. Li X., Gao Q., Cao Y., Yang Y. Optimization Strategy of Wind Energy Harvesting via Triboelectric-Electromagnetic Flexible Cooperation. Applied Energy, 2022, Vol. 307, pp. 118311.
19. Zhang W., Li Z., Zhang C., Lin Y., Zhu H., Meng Z., Wu D. Improvement of the Efficiency of Volumetric Solar Steam Generation by Enhanced Solar Harvesting and Energy Management. Renewable Energy, 2022, Vol. 183, pp. 820-829.
20. Reyes A. Sawdust Drying in a Series of Rectangular Base Spouted Beds Using Solar Energy. Journal of Energy Storage, 2022, Vol. 48, pp. 103881.
21. Yasmeen R., Yao X., Padda I., Shah W. Exploring the Role of Solar Energy and Foreign Direct Investment for Clean Environment: Evidence from Top 10 Solar Energy Consuming Countries. Renewable Energy, 2022, Vol. 185, pp. 147-158.
22. Tong G., Chen Q., Xu H. Passive Solar Energy Utilization: A Review of Envelope Material Selection for Chinese Solar Green-
houses. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2022, Vol. 50, pp. 101833.
23. Rowinska P.A., Veraart A.E.D., Gruet P. A Multi-Factor Approach to Modelling the Impact of Wind Energy On Electricity Spot Prices. Energy Economics, 2021, Vol. 104, pp. 105640.
24. Rajabi M.M., Chen M., Bozorgpour A., Izady A. Stochastic Techno-Economic Analysis of CO2-Circulated Geothermal Energy Production in a Closed Reservoir System. Geothermics, 2021, Vol. 96, pp. 102202.
25. Pan J. Improve Efficiency of Harvesting Wind Energy by Integrating bi-Stability and Swinging Balls. Mechanical Systems and Signal Processing, 2022, Vol. 170, pp. 108816.
26. ShahzadU., Schneider N., Jebli M. How Coal and Geothermal Energies Interact with Industrial Development and Carbon Emissions? An Autoregressive Distributed Lags Approach
to the Philippines. Resources Policy, 2021, Vol. 74, pp. 102342.
27. Yu J., Tang Y.M., Chau K.Y., Nazar R. Role of Solar-Based Renewable Energy in Mitigating CO2 Emissions: Evidence from Quantile-On-Quantile Estimation. Renewable Energy, 2022, Vol. 182, pp. 216-226.
28. Zhang Y., Wang W., Wang Z., Gao M. Green Building Design Based on Solar Energy Utilization: Take a Kindergarten Competition Design as an Example. Energy Reports, 2021, Vol. 7, pp. 1297-1307.
29. Solman H., Kirkegaard J.K., Smits M., Wlient B.J.M.V. Digital Twinning as an Act of Governance in the Wind Energy Sector. Environmental Science & Policy, 2022, Vol. 127, pp. 272-279.
30. Shetty C., Priyam A. A Review on Tidal Energy Technologies. Materials Today: Proceedings. 2021.
