CC BY
45Статья поступила в редакцию 30.01.12. Ред. рег. № 1195 The article has entered in publishing office 30.01.12. Ed. reg. No. 1195
УДК 621.311.24
МАСШТАБИРУЕМЫЕ ГИБРИДНЫЕ ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: (912) 317-1805, факс: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.02.12 Заключение совета экспертов: 15.02.12 Принято к публикации: 20.02.12
В статье приведено описание гибридных ветро-солнечных конструкций энергоустановок и возможности их применения.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика, солнечная энергетика, гибридные системы.
SCALING HYBRID SMALL POWER WIND-SOLAR UNITS
E.V. Solomin
South-Urals State University 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Referred: 10.02.12 Expertise: 15.02.12 Accepted: 20.02.12
The article describes the hybrid wind-solar designs of power stations and possible applications. Keywords: wind power, renewable energy sources, turbines, alternative energy, solar power, hybrid systems.
Введение
Развитие возобновляемой энергетики в развитых странах до конца XX века в основном было основано на наращивании единичной мощности отдельно взятой энергоустановки, работающей на сеть, которая достигла в ветроэнергетике 6 МВт, в гелиоэнергети-ке 25 МВт, биоэнергетике 11 МВт, геотермальной энергетике 9 МВт. Тем не менее, практика свидетельствует о том, что с ростом энергопотребления, наращиванием генерирующих мощностей и разветв-ленности сети количество отказов и веерных отключений также неизбежно растет. Ряд климатических изменений, результатом которых явились сильнейшие ураганы и природные катаклизмы, приводит к периодическим отключениям крупных электрических сетей на долгое время. Более того, по ряду причин мировые магистральные сети серьезно устарели. В России износ электросетей составляет в среднем более 55%, тепловых сетей до 70%, газовых магистралей до 80%. Аналогичная ситуация наблюдается в США и Китае.
При наличии крупных генерирующих мощностей потери при передаче электрической и тепловой энергии составляют от 25 до 80%. Однако потребитель оплачивает полную стоимость производимой энергии с учетом потерь. Более того, наличие потерь означает фактически бесполезный выброс парниковых газов в атмосферу, что наносит непоправимый вред всем живущим на планете. Кроме этого, рост энергопотребления значительно опережает наращивание строительства новых генерирующих мощностей, что в совокупности с фактами, приведенными выше, приводит к энергодефициту. Необходимо отметить, что в основном закупкой, монтажом, обслуживанием и ремонтом магистральных энергосетей вынуждено заниматься государство на деньги налогоплательщиков. Практика показывает, что во всех странах мира такая система является не в полной мере эффективной.
Таким образом, основными проблемами энергетики являются:
- высокие темпы роста потребления, превышающие темпы ввода генерирующих мощностей;
- недостаточная надежность схем внешнего энергоснабжения крупных городов и удаленных потребителей;
- нарастающий физический износ действующего генерирующего оборудования и сетей;
- технологически и морально устаревший парк производственного оборудования в энергетике;
- расширение малоэтажного строительства, увеличение энергопотребления за счет расширения ассортимента электроприборов различного применения;
- высокий уровень потерь в электрических и тепловых сетях;
- высокий уровень удельных расходов топлива на производство электрической и тепловой энергии.
Избегая передачи энергии на дальние расстояния, можно не только сократить потери, но и снизить риск зависимости от магистральных сетей. Поэтому малая энергетика выгодно характеризуется не столько уровнем мощности и степенью износа оборудования, сколько близостью к потребителям. Одной из серьезных альтернатив существующей «коммунальной» системе поставки электрической и тепловой энергии потребителям является индивидуальная поставка энергии от источников, расположенных в непосредственной близости или внутри инфраструктуры потребителей. В связи с этим в мире, в том числе и в России, наблюдается тенденция перехода на локальные источники энергии, как электрической, так и тепловой. Практически все крупные предприятия сегодня имеют свои котельные. Ряд предприятий имеет свои электрогенерирующие мощности на газе или мазуте. В последнее время в многоэтажных и частных жилых домах применяются мини-котельные, работающие на местное теплоснабжение. Таким образом, наблюдается явное стремление потребителя к обособлению и независимости от централизованного теплового и электроснабжения. Одним из вариантов локализации энергогенерирующих мощностей является внедрение энергоснабжения на основе генераторов с двигателями внутреннего сгорания или возобновляемых источников энергии. Практика показывает, что энергоснабжение на основе бензиновых или дизель-генераторов является ненадежным, поскольку не может обеспечить круглосуточный график энергоснабжения в связи с особенностями данных агрегатов, а возобновляемые источники энергии отличаются относительной непредсказуемостью появления (ветер имеет неустойчивые параметры, интенсивность солнечного света снижается при наличии облаков и т.д.). Преимущество же агрегатов, использующих возобновляемые источники энергии, заключается в том, что для них не требуется топливо. Газовые генераторы можно эффективно использовать фактически там, где подведены газовые магистрали. К тому же все меры по проведению газа являются временными в связи с ограниченными запасами голубого топлива.
В связи с вышесказанным организация энергоснабжения на основе возобновляемых источников
является одним из простейших решений проблем энергодефицита. Однако внедрение локальных или персональных энергогенерирующих мощностей неизбежно связано с расчетом надежности бесперебойного энергоснабжения потребителя. На заселенных территориях планеты, как правило, отсутствует возможность использования относительно постоянных возобновляемых источников энергии - энергии рек и геотермальных вод, а ветровая и солнечная энергия имеют прерывистый характер появления, хотя и доступны повсеместно. В большинстве случаев потребитель, исходя из локальных условий, принимает решение по использованию местного ветрового или солнечного потенциала. В связи с этим сегодня самыми динамично развивающимися направлениями в этой области являются именно солнечная и ветроэнергетика, дающие мировой прирост, соответственно, 23 и 30% в год.
Таким образом, на основании приведенных выше фактов одним из приоритетных направлений развития энергетики является разработка новых высокоэффективных автономных генерирующих мощностей на основе ветровой и солнечной энергии. Причем особое внимание должно уделяться гибридным системам, включающим использование ряда возобновляемых источников и обеспечивающим практически гарантированное энергоснабжение за счет дублирования и/или комбинирования источников энергии. Одним из наиболее доступных вариантов может являться гибридная ветро-солнечная установка, в которой ветроэнергетическая установка и батарея из солнечных модулей являются взаимодополняющими генерирующими системами.
Анализ рынка, конструкций и патентные исследования
Предварительный анализ рынка и патентные исследования выявили следующее:
1. Научная методология и стандартизация. В мире отсутствует системный научный подход и методологии разработки ветроэнергетических установок малой мощности для автономных потребителей. Разработка агрегатов ведется покомпонентно, без учета взаимовлияния элементов установки друг на друга. Например, проектирование ротора проводится без учета влияния вибродинамической реакции мачты и фундамента, генератор разрабатывается без привязки к системе отбора мощности, система управления не учитывает генерацию шума и вибраций и т.д. Существующие стандарты по ветроэнергетике (особенно в России) серьезно устарели и не отражают в полной мере требований к современным агрегатам. В связи с этим можно утверждать, что учение о методах, принципах и подходах к разработке целостных систем в малой ветроэнергетике отсутствует. Научный подход в комплексном применении малой гелио-энергетики также отсутствует, стандарты ориентированы на устаревшее оборудование, нет четкого обос-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
нования использования гибридных и когенерацион-ных установок. На основе опыта российских разработчиков в области разработки методик и методологии проектирования ветроэнергетических установок, солнечных модулей и энергосберегающего оборудования данная ниша может быть заполнена на мировом уровне. Безусловно, необходимо внесение соответствующих изменений в действующие стандарты РФ по ветроэнергетике и солнечной энергетике.
2. Техника и конкуренция. Исследования рынка [1] выявили наличие ветровых, солнечных и гибридных систем. Однако анализ предложений показывает, что в 80% случаев заявленная номинальная мощность не соответствует действующим стандартам (например, на установках китайского и американского производства мощность указывается на скорости ветра не 11 м/с, как это рекомендуется стандартами IEC (International Electrotechnical Commission), а 12, 15 и даже 20 м/с, что фактически отражает мощность в несколько раз ниже стандартного номинала; удельная выработка энергии берется без учета вероятностного распределения ветра и завышается порой в разы; солнечные модули могут поставляться на основе аморфного кремния с КПД ниже 8%, но при этом также указывается завышенная мощность и т. д.). Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ветроэнергетическими установками зачастую подменяется КПД (т.е. передачей энергии от ротора (ветроколеса) до потребителя) и превышает максимально возможный КИЭВ Бетца-Жуковского 0,593 (или по Сабинину 0,687). Удельная выработка энергии показывается производителем, как правило, при идеальных условиях (например, в горизонтально-осевых установках при коллинеарности вектора набегающего ветрового потока и оси вращения, у солнечных модулей при освещенности 1000 Вт/м2, которой фактически не бывает в умеренных широтах и т. д.). Эти показатели уводят потребителя в бесконечные расчеты, порой с потерей основной цели -приобретения автономного источника энергоснабжения. Таким образом, здесь также сказывается отсутствие научно обоснованных регламентов, по которым производитель не имел бы возможности вводить в заблуждение потребителя. Например, предложение ветроустановки мощностью 10 кВт на номинальной скорости ветра 20 м/с фактически означает предложение установки мощностью номиналом 1,5 кВт согласно международным стандартам IEC. А предложение солнечного модуля из аморфного кремния на 200 Вт при освещенности 1000 Вт/м2 фактически равнозначно предложению модуля мощностью 50 Вт в средней полосе России. Более того, на рынке совершенно отсутствуют антиобледени-тельные мероприятия в области ветровой и гелио-энергетики, что в регионах северных и умеренных широт является одним из ключевых факторов препятствия внедрению этой продукции. С учетом перечисленных фактов и опыта российских разработчиков в проектировании, изготовлении и эксплуатации
ветровых и солнечных установок малой мощности технические характеристики гибридных систем (или комплексов) могут значительно превосходить мировой уровень и занять конкурентоспособное место на рынке ветровой и ветро-солнечной энергетики.
3. Экономика и внедрение. Анализ предложений на рынке ветровой и солнечной энергетики показывает, что информация о комплектации часто выдается производителем не в полной мере, что также вводит потребителя в заблуждение. Например, часто указывается стоимость ротора ветроустановки без учета других комплектующих (мачты, системы управления и т.д.). Во многих случаях указывается высота мачты без указания парусности, что влияет на подготовку фундамента, стоимость которого в областях сильных ветров может превышать стоимость всей ветроуста-новки. Стоимость солнечных модулей не предусматривает установочных мероприятий и систем антиобледенения. Усталостная прочность не рассчитывается, и поэтому отсутствует фактически срок износа агрегатов, что неизбежно влияет на сроки окупаемости.
4. Деление рынка и уровни мощности. В ряде стран за счет совершенствования технологий ветроэнергетика и солнечная энергетика выделились в отдельные отрасли (Дания, Бельгия, Германия, США, Китай) и уверенно конкурирует с традиционной энергетикой [2]. В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок традиционные горизонтально-осевые установки (ГО ВЭУ), конструкции которых известны не одну сотню лет, составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько сотен предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ (ВО ВЭУ) вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье - в 1931 г., ротор Масгроува - в 1975 г.). Кроме этого, до недавнего времени считалось, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-70-х годах XX века сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, Эванса и Масгроува, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых (ГО) пропеллерных ВЭУ [1, 2]. За счет отсутствия необходимости ориентировки ротора на ветер удельная выработка ВО ВЭУ может превышать аналогичный показатель ГО ВЭУ в 1,5-2,5 раза. Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ
гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных. Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов XX века, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется и достиг 4 МВт (установка мощностью 4,3 МВт проходит испытания в Канаде с 1987 г.). Однако интерес к малым ВЭУ также растет в связи с рядом причин (стремление потребителей к автономному энергоснабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта и т.д.). При этом стоимость малых ВЭУ мощностью до 10 кВт, используемых для автономного энергоснабжения, неуклонно снижается за счет развития технологий производства комплектующих, снижения установочных расходов и т.д. Наблюдается тенденция приближения малых ВЭУ к местам проживания человека (стремление установить ВЭУ на кровле загородного коттеджа или многоэтажного дома, строения или сооружения). Такие решения весьма привлекательны как с технической, так и с экономической точки зрения и реализованы в США, Канаде, Европе, Индии, Китае [3]. В России эта тенденция также прослеживается, что подтверждается растущим объемом заявок от потенциальных потребителей на размещение ВЭУ 3-10 кВт непосредственно на жилых домах [4]. Количество подобных заявок составляет свыше 10% от общего количества, что может характеризовать потенциальный рынок этих ВЭУ. Кроме этого, во всем мире растет активность агропромышленного сектора в части внедрения автономного энергоснабжения удаленных автономных объектов (энергопитание фермерских хозяйств, рыболовецких артелей, тепличных комплексов и т.д.). Солнечные модули на рынке представлены обширным спектром изделий из поли-и монокристаллического кремния от 5 до 250 Вт единичной мощности и могут объединяться фактически в генерирующие объекты любой мощности с любым напряжением. Подбор соответствующей продукции должен осуществляться исходя из ряда особенностей как локального характера климата, так и особенностей потребителя.
5. Интеллектуальная собственность представлена наличием большого числа патентов на изобретения и полезные модели. Тем не менее, гибридные конструкции фактически отсутствуют в патентных базах данных, хотя и являются патентоспособными как помодульно, так и в целом.
На основании проведенного анализа можно сделать заключение, что ключевой задачей при разработке или выборе на рынке той или иной системы автономного энергопитания является определение места расположения установки, ее оптимальной конструкции, мощности, конфигурации и состава системы электропитания с учетом климатических условий района предполагаемой эксплуатации, а также особенностей нагрузки. Удачным вариантом систематизации внедрения ветроэнергетических конструкций на основе изучения локальных условий эксплуатации явилась диссертационная работа [5]. Будучи вне-
дренной, система электропитания должна обеспечивать высокий показатель гарантированности энергоснабжения рассматриваемого потребителя, иметь приемлемые размеры и стоимость, высокую надежность, продолжительный срок службы при минимальных затратах на обслуживание. Соответствие перечисленным требованиям должно обеспечивать конкурентоспособность таких систем по сравнению с традиционными техническими решениями - прокладкой протяженных кабельных линий или, в случае отсутствия электрических сетей, автономным электропитанием от бензиновых, газовых и дизельных электрогенераторов.
Новизна гибридной установки и ключевые отличия от аналогов
С научной точки зрения
1. Методологический подход к разработке и оптимизации гибридных ветро-солнечных энергоустановок может быть осуществлен покомпонентно и интегрально, представляя собой серию итерационных методик последовательного проведения оптимизационных процедур помодульно на основе разветвленных трехмерных и функциональных математических моделей в SolidWorks, ЛшуБ, МаБ^аи, что позволяет оценить и оптимизировать систему взаимовлияния как внешних, так и внутренних воздействий на исследуемый объект. При различных критериях оптимизации такая методология решает проблему формализации разработок в малой автономной энергетике, что значительно ускоряет разработки новых конструкций. Методология имеет мировую новизну и не имеет аналогов. Результатом являются оптимизированные модули гибридной установки и система управления энергопотоками от источников электроэнергии, что, во-первых, позволяет адаптивно оптимизировать работу установки в целом, а во-вторых, увеличить объем выработки энергии за счет перераспределения потоков и регулирования аккумулированием.
2. Методики разработки и оптимизации компонентов продукции являются составляющими методологии по п. 1.1 и формируются в процессе выполнения конкретного проекта. Основными методиками является итерационная последовательно-параллельная оптимизация параметров компонентов конструкции, вибробалансировка роторов ветроустановок, антиобледенительные мероприятия солнечных модулей, обогрев электрических шкафов в холодном климате, система сопряжения компонентов, система управления и алгоритмизации, регулирование мощности и энергопотоков и т.д.
С технической точки зрения
Гибридная схема
Гибридная схема предусматривает как энергоснабжение от комплексного источника энергии определенной мощности (ветер, солнце), так и масшта-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
бируемость конструкции за счет добавления или уменьшения количества компонентов с соответствующим изменением мощности без замены выходных каскадов оборудования (регуляторов мощности и инверторов). Гибридная схема в условиях континентального климата с непредсказуемостью скорости ветра и интенсивности солнечной радиации является менее рациональной, чем ее компоненты, однако наиболее надежной генерирующей системой электроэнергии, построенной на комбинировании возобновляемых источников. Надежность системы достигается дублированием и взаимным дополнением одного источника другим (в отсутствие солнечного света система работает за счет ветра и наоборот с аккумулированием энергии для обеспечения бесперебойного энергоснабжения).
Для покрытия потребностей практически всего спектра малых потребителей с потреблением до 10 МВтч в месяц и пиковой мощностью до 100 кВт можно рассматривать две гибридные конструкции с целью покрытия потребностей малых автономных удаленных потребителей - системы номинальной мощностью 100 Вт (0,1 кВт) и системы мощностью 6000 Вт (6 кВт). Техническая новизна конструкций заключается, во-первых, в технической новизне модулей (компонентов) - ветроэнергетической установки (ВЭУ), солнечной батареи (СБ) с соответствующими системами управления (СУ) и аккумулирующими устройствами, а во-вторых, возможностью масштабирования каждой из установок без серьезных изменений схем и электрооборудования. Причина выбора мощностей 0,1 кВт и 6 кВт заключается в следующем:
- гибридная установка малой мощности 0,1 кВт служит для обеспечения энергоснабжения особо малых потребителей (отдельно стоящих фонарных опор систем общественного освещения, питание удаленных следящих приводов и датчиков, систем наблюдения и т.п.), причем масштабируемость установки в большую сторону осуществляется добавкой компонентов (ветроустановок и/или солнечных модулей) с увеличением мощности до 1 кВт. Выходной каскад по постоянному напряжению для питания соответствующих электроприборов является масштабируемым в большую сторону помодульно с целью увеличения мощности за счет подключения дополнительных печатных плат в слоты по принципу увеличения оперативной памяти компьютера. При этом алгоритмы управления не меняются. Дальнейшее масштабирование системы свыше 1 кВт является экономически и технически нецелесообразным, во-первых, с точки зрения увеличения интегральных массо-габаритных параметров конструкции гибридной установки в целом, а во-вторых, неизбежностью замены выходных каскадов регулятора мощности в связи с возрастанием токов свыше 50 А и соответствующими тепловыми потерями. Кроме этого, практика показывает, что мощность 1 кВт используется потребителями не только для получения постоянного
напряжения, но и дальнейшего преобразования в переменное, в связи с чем преимущества данной конструкции в таком применении уже не проявляются;
- гибридная установка мощностью 6 кВт служит источником энергоснабжения для средних потребителей электроэнергии (от мощности потребления небольшого садового дома до энергоснабжения фермы, цеха, многоэтажного дома и т.п.) и является масштабируемой в большую и меньшую сторону в диапазоне от 1 до 100 кВт с соответствующим варьированием выходных каскадов. Снижение мощности до 1 кВт достигается как снижением отбора энергии от ВЭУ за счет изменения алгоритма системы управления (перепрошивка программируемого базового контроллера), так и снижением количества солнечных модулей (СМ). Увеличение мощности гибридной установки достигается за счет увеличения количества ВЭУ и организации их в ветропарк (ветро-ферму) и/или количества СМ (т.е. общей мощности СБ с подключением дополнительных каскадов регулятора мощности и аккумулирующих устройств) в зависимости от доминирования того или иного источника в данном регионе. При этом замене не подлежит даже выходной инвертор как устройство, мощность которого напрямую зависит от мощности нагрузки. Мощность инвертора увеличивается по желанию потребителя аналогично регулятору за счет помодульного увеличения количества инверторов с соответствующей их синхронизацией по фазе, частоте и амплитуде. Подключение инверторов осуществляется последовательно-каскадно по схеме «ведущий-ведомый». Предлагаемая схема имеет универсальную возможность подключения любых дополнительных источников энергии по постоянному напряжению с соответствующей перепрошивкой контроллеров регуляторов мощности и инверторов (например, подключение бензо- или дизель-генератора, магистральной сети, иных источников энергии, в том числе и возобновляемых). Такая схема компоновки и подключения оборудования не имеет аналогов в мире и обладает абсолютной технической новизной.
Таким образом, составы гибридных установок являются, как следует из вышеприведенного описания, варьируемыми за счет состава и мощности компонентов, имея только верхние и нижние пределы границ установленной мощности. В связи с этим разработка базовых комплектов установок, подлежащих дальнейшему масштабированию, является более простой задачей, чем создание крупных конструкций энергокомплексов за счет увеличения единичной мощности компонентов (непосредственно ВЭУ или СМ). Состав гибридов может быть описан следующим образом.
Состав гибридной ветро-солнечной установки №1:
- Ветроэнергетическая установка номинальной мощностью 0,1 кВт. Является в большинстве случаев основным компонентом гибрида.
- Солнечная батарея, состоящая в данной установке из солнечного модуля мощностью 100-200 Вт. Является дублирующей и взаимодополняющей системой по отношению к ВЭУ.
- Система управления (СУ), предусматривающая оптимизированное адаптивное регулирование энергопотоков и отбора мощности от источников энергии. Отбор мощности ВЭУ осуществляется по принципу отслеживания максимального коэффициента мощности (коэффициента использования энергии ветра КИЭВ) с поддержанием соответствующей быстроходности. Отбор мощности от СБ заключается в адаптации системы управления на рабочей точке вольт-амперной характеристики с достижением максимального КПД. Система управления регулирует и автоматически оптимизирует подачу энергетических потоков от источников (ВЭУ, СБ) с перераспределением их между системой аккумулирования и потребителем. Потребителем служит маломощное устройство (светодиодный светильник, следящий привод, видеокамера, датчик и т.д.). Соответственно, алгоритм управления предусматривает недопустимость перезарядки и переразрядки аккумуляторов, аварийные ситуации, отсутствие нагрузки или чрезмерное нагружение и т. д. Требования к алгоритму управления разрабатываются исходя из местных условий и являются в целом универсальными и адаптивными. Алгоритм адаптивного управления энергопотоками от комбинированного источника не имеет аналогов в мире.
- Регулятор мощности универсальный, с подключением ВЭУ, СБ и СУ. Выходное напряжение 24 В постоянного тока. Пиковая мощность 0,1 Вт может быть увеличена за счет добавления каскадов по 0,1-0,5 кВт. Техническая новизна заключается в возможности одновременного подключения разнородных источников энергии, возможности масштабирования мощности за счет добавки и/или регулирования мощности выходных каскадов помодульно, т.е. с включением параллельных каскадов постоянного напряжения. Общая мощность системы приводится к мощности 100 Вт, хотя и состоит из ВЭУ мощностью 100 Вт и солнечного модуля минимум 100 Вт. Тем не менее, с учетом чисел Рейнольдса на малых габаритах ВЭУ и стационарного положения СБ общая генерируемая мощность прогнозируется как минимальная и равная 100 Вт. Аналогов масштабируемой конструкции регулятора в мире не выявлено.
- Система аккумулирования, состоящая из 2 аккумуляторных батарей (АКБ с напряжением 12 В каждая, соединены последовательно на напряжение 24 В, емкость от 50 Ач и выше) с возможностью подключения практически любого количества аналогичных каскадов параллельно для увеличения емкости. Техническая новизна заключается в создании особого электрического шкафа для хранения АКБ с целью стабильной работы в холодном климате на открытом воздухе при температуре до -60 °С. Дан-
ный эффект достигается за счет наличия специальной системы высокоэффективного импульсного инфракрасного обогрева внутренних элементов электрошкафа. Аналогов конструкции обогреваемых шкафов с энергосберегающим инфракрасным подогревом в мире не выявлено.
Состав гибридной ветро-солнечной установки №2:
- Ветроэнергетическая установка номинальной мощностью 3 кВт. Является в большинстве случаев основным компонентом гибридной установки.
- Солнечная батарея, состоящая в данной установке из нескольких солнечных модулей мощностью 100-200 Вт общей установленной мощностью 3 кВт (например, 30 модулей по 100 Вт). Окончательное решение по мощности модулей принимается после проведения расчетов в каждом конкретном случае. СБ является дублирующей и взаимодополняющей системой по отношению к ВЭУ. Солнечные модули являются покупными изделиями. Техническая новизна заключается в доработке модулей за счет улучшения функциональных свойств в холодном климате (антиобледенительные мероприятия, прогрев солнечных элементов для повышения КПД и т. д.). Аналогов конструкции в части подогрева СМ с целью устранения обледенения и повышения температуры принимающей поверхности СМ в мире не выявлено.
- Система управления (СУ), предусматривающая оптимизированное адаптивное регулирование энергопотоков и отбора мощности от источников энергии. Отбор мощности ВЭУ осуществляется по принципу отслеживания максимального коэффициента мощности (коэффициента использования энергии ветра КИЭВ) с поддержанием соответствующей быстроходности. Отбор мощности от СБ заключается в адаптации системы управления на рабочей точке вольт-амперной характеристики интегральной СБ с достижением максимального интегрального КПД, причем система является адаптивной в плане отбора мощности от соответствующих каскадов солнечных модулей, подключаемых структурно с разными углами наклона к горизонту с целью получения максимума солнечной радиации в любых условиях освещенности, без ориентации СМ на солнце. Система управления регулирует и автоматически оптимизирует подачу энергетических потоков от источников (ВЭУ, СБ) с перераспределением их между системой аккумулирования и потребителем. Потребителем служит автономный потребитель, пиковая мощность которого в целом не ограничена, поскольку за счет накопителя энергии в аккумуляторных батареях потребитель может получить любую мощность в течение определенного временного интервала в зависимости от мощности нагрузки. Ограничением является только пиковая мощность инвертора, которую можно легко увеличить, как показано ниже. Соответственно, алгоритм управления предусматривает недопустимость перезарядки и переразрядки аккумуляторов, аварийные
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
ситуации, отсутствие нагрузки или чрезмерное на-гружение и т.д. Требования к алгоритму управления в целом универсальны, однако могут несколько изменяться в зависимости от особенностей конкретного потребителя. Аналогов интегральной системы управления гибридными энергоустановками в мире не выявлено. Однако попытки создания гибридных регуляторов имеются по постоянному напряжению без систем оптимизации и адаптации.
- Регулятор мощности универсальный, с подключением ВЭУ, СБ и СУ. Выходное напряжение 48 В постоянного тока. Пиковая мощность 6 кВт может быть увеличена за счет добавления каскадов по 13 кВт. При превышении токов свыше 100-150 А по каскаду система может быть изменена в плане последовательно-параллельного подключения каскадов и изменением выходного напряжения без ограничений, что, однако, может в результате привести к замене инвертора более мощным (или добавке соответствующих модулей по принципу «ведущий-ведомый»). Техническая новизна заключается в возможности одновременного подключения разнородных источников энергии, возможности масштабирования мощности за счет добавки и/или регулирования мощности выходных каскадов помодульно, т.е. с включением параллельных каскадов постоянного напряжения. Регулятор мощности гибридной системы, включающей ВЭУ и солнечные батареи, является интегрированным, универсальным и может сопрягаться с аналогичным прибором по постоянному напряжению с питанием блока аккумуляторных батарей. Аналогов конструкции гибридного регулятора с помодульным подключением дополнительных каскадов, увеличивающих выходное напряжение, в мире не выявлено.
- Система аккумулирования, состоящая из 4 аккумуляторных батарей (АКБ с напряжением 1 В каждая, соединены последовательно на напряжение 48 В, емкость от 200 Ач и выше) с возможностью подключения практически любого количества аналогичных каскадов параллельно для увеличения емкости. Техническая новизна заключается в создании особого электрического шкафа для хранения АКБ с целью стабильной работы в холодном климате на открытом воздухе при температуре до -60 °С. Данный эффект достигается за счет наличия специальной системы высокоэффективного импульсного инфракрасного обогрева внутренних элементов электрошкафа. Аналогов конструкции обогреваемых шкафов с инфракрасным подогревом в мире не выявлено.
- Инвертор. Входное напряжение 48 В, выходное синусоидальное напряжение 220В/50Гц, мощность пиковая 6 кВт. Инвертор является блочно-модульной конструкцией, состоит из 4 модулей по 1,5 кВт каждый, соединенных по схеме «ведущий-ведомый». Имеется возможность наращивания пиковой мощности до 100 кВт за счет последовательно-параллельного подключения каскадов помодульно. В случае превышения токов свыше 150 А рекомендуется
повысить входное напряжение до соответствующей величины для достижения нормальных тепловых режимов. Модульная конструкция до 18 кВт обеспечивается непосредственно блоком инверторов по схеме «ведомый-ведущий», а в диапазоне мощности 18-100 кВт за счет синхронизатора частоты и фазы локальной сети, неизбежно формируемой при данных мощностях электрооборудования. Новизна конструкции заключается в блочно-модульной конструкции интегрального инвертора.
Преимущества гибридной схемы
Энергоснабжение от разных источников позволяет дублировать и комбинировать энергопотоки от ветро-установки и солнечной батареи в зависимости от доминирования одного источника над другим. В случае отсутствия одного из источников дублирующим компонентом выступает другой, а в случае отсутствия обоих автоматически подключается система бесперебойного питания на основе аккумуляторных батарей, обеспечивая надежное энергоснабжение потребителя.
Масштабируемость конструкции осуществляется наращиванием мощности компонентов и/или увеличением их количества. Как свидетельствуют многочисленные публикации и разработки, изначально трудно предсказать удельную выработку энергии в конкретном регионе за счет того или иного возобновляемого источника. Соответственно, практически невозможно рассчитать точную устанавливаемую мощность генерирующего оборудования для конкретного потребителя с его особенностями и графиком потребления в локальных климатических условиях (например, в целом по области средняя скорость ветра может быть 4 м/с, а вдоль поймы реки, около озера или между холмов существует постоянная тяга ветра 6-7 м/с). В связи с этим наиболее простым решением является установка минимальной гибридной конфигурации с последующим масштабированием как за счет увеличения количества компонентов, так и с помощью замены малых агрегатов более крупными. В случае гибридной системы такие меры не прерывают энергоснабжение потребителя даже в течение замены и/или масштабирования в связи с их взаимным дублированием. Это преимущество может быть использовано для объектов, не подлежащих отключению в любом случае (системы слежения за спутниками, системы мониторинга, ры-боразводные хозяйства и т.д.).
Компоновка гибридной ветро-солнечной установки может быть различной. Например, при использовании вертикально-осевой конструкции (патенты № 100851 и 101105) гибридная установка мощностью 0,1 кВт может выглядеть следующим образом (рис. 1):
Компоновка гибридной установки мощностью 3 кВт зависит от локальных особенностей потребителя, ландшафта местности и других обстоятельств, в связи с чем в статье подробно не рассматривается. Схема приведена на рис. 2.
Рис. 1. Эскиз компоновки ветро-солнечной установки мощностью 0,1 кВт Fig. 1. The sketch of 0.1 kW wind-solar system structure
Рис. 2. Эскиз компоновки ветро-солнечной установки мощностью 6 кВт Fig. 2. The sketch of 6 kW wind-solar system structure
Ротор ВЭУ с вертикальной осью вращения (патент № 2347104) может быть с успехом использован в гибридной установке мощностью 6 кВт (рис. 3). Ротор ВЭУ имеет следующие преимущества: - рекордно высокий коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) до 48% за счет конструктивных особенностей ротора (самостоятельный старт при малых ветрах с 1 м/с, уникальный аэродинами-
ческий профиль лопасти, оптимальное соотношение габаритов ротора);
- отсутствие инфра и ультразвука благодаря особенностям конструкции и отсутствию срыва потока с концевых сегментов лопастей. Минимальный уровень вибраций за счет применения уникальной методики динамической вибробалансировки;
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
- аэродинамический регулятор центробежного типа, служащий для стабилизации частоты вращения ротора на сильных ветрах и позволяющий использование генератора определенной конечной номинальной мощности;
- надежная прочная оптимизированная конструкция ротора, сохраняющая работоспособность на скоростях ветра до 45 м/с и способная выдерживать порывы ветра до 60 м/с.
Рис. 3. Модель ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки согласно патенту № 2347104 Fig. 3. Model of vertical axis wind rotor in according with patent #2347104
Принципиально новые конструкции генераторов. КПД до 99%, рис. 4 (патент № 2244996).
Рис. 4. Модели генераторов с аксиальным и радиальным зазором для различных конструкций вертикально-осевых
ветроэнергетических установок Fig. 4. Models of alternators with axial and radial air gaps for different designs of vertical axis wind turbines
- С аксиальным зазором, разработанный ООО «ГРЦ-Вертикаль» (www.src-vertical.com, РФ) совместно с корпорацией Empire Magnetics, Inc. (www.empiremagnetics.com, США). Конструкция позволяет компактное расположение генератора с естественным охлаждением.
- С комбинированным возбуждением, где стабилизация напряжения на клеммах генератора при изменении нагрузки и частоты вращения осуществляется с помощью изменения потока возбуждения генератора, за счет чего поддерживается постоянное напряжение на выходе, разработанный НИИ «Урал-мет» (РФ).
Амортизатор растяжки ветроустановки (патент № 87767) за счет снижения значений виброскорости до минимальной позволяет эксплуатацию ветроуста-новки на территории медицинских учреждений и госпиталей согласно СН 2.2.4/2.1.8.566-96 («Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий», таблица 9 «Допустимые значения вибрации в жилых помещениях, палатах больниц, санаториев») и ГОСТ 12.1.012-90 («Вибрационная безопасность» Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки на оператора. Общая вибрация, категория 3, тип "в").
Дополнительный регулятор мощности интеллектуальный адаптивный. Позволяет поддерживать КИЭВ максимальным во всем диапазоне быстроходности (отношения линейной скорости лопастей к скорости ветра) за счет применения понижающего импульсного преобразователя на основе программируемого контроллера с адаптивным алгоритмом отбора мощности. Это позволяет повысить КПД ветроэнергетической установки до 98%.
С практической точки зрения
1. Создание семейства гибридных ветро-солнеч-ных установок мощностью 100 и 6000 Вт позволяет заполнить всю нишу потребителей малых мощностей до 100 кВт пиковой нагрузки. Данные базовые уровни мощности с условием дальнейшего масштабирования выбраны из соображений практичности. Первая модификация подобрана в связи с возможностью компоновки систем энергоснабжения ветро-солнечными модулями по 100 Вт до уровня 1000 Вт. И далее при возрастании мощности потребления от 6000 до 100000 Вт возможно помодульное увеличение номинальной мощности установок комплексами единичной мощностью 6000 Вт. Свыше 100000 Вт, как правило, используются не автономные, а сетевые установки, и их конструкция отличается от автономного варианта.
2. Масштабируемость. Каждый компонент установки является масштабируемым от 100 Вт для малого потребителя (освещение, датчики, слежение) до 100000 Вт для среднего потребителя (коттедж, офис, малый производственный цех). Данный инновационный продукт представляет собой уникальное унифицированное семейство, т.е. ряд масштабируемых ус-
тановок одного типа, каждая из которых включает ряд компонентов - ветроэнергетическую установку определенной номинальной мощности, солнечную батарею, состоящую из модулей, системы управления и аккумулирования энергии, а также системы преобразования энергии.
Причем инновационный продукт масштабируется как помодульно (т.е. добавка количества модулей увеличивает мощность энергоустановки), так и покомпонентно (когда увеличивается мощность отдельного компонента). Такой системный подход дает возможность покрыть потребности практически любого потребителя энергии. Например, масштабирование модуля - ветроустановки мощностью 100 Вт -может быть осуществлено как помодульно, т.е. наращиванием количества ВЭУ по 100 Вт до 200 Вт, 300 Вт... 1000 Вт и т.д. до разумных пределов, так и покомпонентно, т.е. данный компонент может быть заменен более мощным компонентом, например 1000 Вт или 3000 Вт. Это дает возможность точного подбора установленной мощности для пользователя. Данный принцип является «friendly» (т.е. дружественным) для потребителя и делает изделие более привлекательным на рынке.
3. Возможность размещения на зданиях и сооружениях. Учитывая вышеизложенную новизну, отсутствие вредных излучений, надежность конструкции и высокую эффективность, такие гибридные установки могут размещаться на ответственных инженерных объектах - жилых, офисных и производственных зданиях, сооружениях, мостовых конструкциях и т.д. с целью как автономного энергоснабжения, так и покрытия пиков энергопотребления (например, в мегаполисах).
Вышеописанная конкурентоспособная продукция в базовом варианте включает одну из гибридных ветро-солнечных установок мощностью 100 Вт для объектов сверхмалого энергопотребления или мощностью 6 кВт, предназначенную для энергоснабжения объектов малого и среднего потребления. Эти два варианта предполагают покрытие энергопотребления любого объекта в пределах пиковой мощности от 100 Вт до 100 кВт.
Таким образом, фактически разработка одного типоразмера на основе системного научного подхода может являться универсальной и для другого типоразмера. Совмещение научного подхода может стать прорывом в универсализации гибридных энергетических установок. Как будет показано ниже, одним типоразмером невозможно комплексно решить проблемы автономного энергообеспечения даже отдельно взятого региона, не говоря уже о масштабах страны или мира. Поэтому необходимо понимать, что на рынке автономных источников энергоснабжения востребованы как установки мощностью 100 Вт для обеспечения общественного освещения, энергопитания малых удаленных потребителей (следящих видеокамер, датчиков), так и установки более высокой мощностью соразмерно
потреблению. Например, для энергоснабжения небольшого садового дома достаточно 200-1000 Вт установленной мощности, а для крупного коттеджа необходимо 5-10 кВт. Однако совсем не обязательно устанавливать энергогенерирующее оборудование исходя из пикового значения нагрузки, поскольку пики энергопотребления могут сглаживать аккумуляторные батареи, в которых накапливается электроэнергия от менее мощных энергогенери-рующих станций. С этой же точки зрения неправильно и невыгодно рассчитывать мощность энергопотребления объекта исходя из суммы всех электроприборов, т.к. они никогда не работают одновременно. Исходя из этого, можно легко посчитать, что, принимая во внимание среднее энергопотребление, например, в России средней семьи из 3-4 человек 500 кВтч в месяц, или среднечасовом потреблении 0,7 кВтч, энергообеспечение такого объекта может быть организовано от 1-2 ветроэнергетических установок номинальной мощностью всего 3 кВт. Установка же агрегата в 10 кВт ничего не дает, поскольку 70% вырабатываемой энергии будет невостребовано. Однако очевидно, что оконечный выход системы должен иметь возможность пропускания пиковой мощности, например, инвертор на 10 кВт. При этом желательно присутствие дублирующей системы генерации, например, солнечной батареи, с целью обеспечения гарантированного энергоснабжения объекта.
Сравнительные особенности, преимущества и недостатки различных ветроэнергетических конструкций приведены в [6, 7]. Сравнительные характеристики солнечных модулей не приводятся в связи с широким спектром выпускаемой продукции и быстрой сменой характеристик.
По совокупности признаков в большинстве публикаций явное преимущество остается за ВО ВЭУ. Кратко изложенные сравнительные признаки основных типов ветроустановок можно выразить следующей табл. 1.
В сложном сочетании свойств, чаще всего двойственно характеризующих каждый из типов ВЭУ, невозможно разобраться с помощью методов качественной оценки (тяжелее-легче, сложнее-проще, эффективно-неэффективно). По совокупности характеристик согласно проведенному анализу в целом выигрывает конструкция ВО ВЭУ с профилированными лопастями (высокий уровень удельной выработки энергии, более низкий шум и вибрации, рациональность силовой схемы, отсутствие необходимости поиска направления ветра, значительно превышающий диапазон рабочих скоростей ветра и т.д.).
Применение гибридных конструкций
Варианты применения гибридных энергоустановок (ГЭУ) мощностью, соответственно, 0,1 и 6 кВт приведены в табл. 2.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Таблица 1
Сравнительные признаки ГО ВЭУ и ВО ВЭУ
Table 1
Comparative factors of HAWT and VAWT
№ п/п Основные характеристики Горизонтально-пропеллерные ВЭУ Вертикально-осевые ВЭУ
особенность оценка особенность оценка
1 Ориентация на ветер Наличие узлов и систем ориентации на ветер 1. Снижается эффективность 2. Усложняется конструкция Не требуется 1. Повышается эффективность 2. Упрощается конструкция
2 Съем энергии ветра ротором Макс. съем энергии в узком диапазоне ветров 1. Снижается эффективность Макс. съем э нергии во всем диапазоне ветров Повышается эффективность
3 Размещение генератора и мультипликатора В гондоле на башне 1. Усложняется монтаж и обслуживание 2. Усложняются условия эксплуатации 3. Усложняется передача электроэнергии На фундаменте башни 1. Упрощается монтаж и обслуживание 2. Упрощаются условия эксплуатации 3. Упрощается передача электроэнергии
4 Самозапуск Есть 1. Упрощается конструкция 2. Нет потерь электроэнергии Есть 1. Упрощается конструкция 2. Нет потерь электроэнергии
5 Коэффициент использования энергии ветра До 0,47 Высокий До 0,48 Высокий
6 Поворот лопастей Есть Усложняется конструкция Нет Упрощается конструкция
7 Конструкция лопасти Крутка и сужение лопасти 1. Усложняется конструкция 2. Снижается эффективность Лопасть с постоянным профилем Упрощается конструкция
8 Быстроходность Высокая Повышаются требования к ветроколесу Низкая Упрощаются требования к ветротурбине
9 Воздействие на окружающую среду Повышенное 1. Высокий уровень шумов 2. Большой радиус разлета осколков 3. Большая опасность для птиц Отсутствует 1. Низкий уровень шумов 2. Маленький радиус разлета осколков 3. Малая опасность для птиц
10 Рациональность силовой схемы ротора Рациональная схема 1. Низкий уровень нагрузок 2. Низкая материалоемкость Рациональная схема, материало емкость 1. Относительно высокий уровень нагрузок 2. Высокая материалоемкость
Таблица 2
Варианты применения гибридных ветро-солнечных установок
Table 2
Variants of application of hybrid wind-solar systems
Объект ГЭУ-6 ГЭУ-0,1
Садовый дом Энергоснабжение общее Энергопитание внешнего освещения
Коттедж, автостоянка, малый цех, офисное здание, с/х ферма Энергоснабжение общее с увеличением общей мощности ГЭУ до 100 кВт за счет увеличения количества ВЭУ и/или солнечных модулей в зависимости от местных условий повторяемости ветра/солнца Энергопитание внешнего освещения с увеличением числа ГЭУ-0,1 для каждого осветительного объекта
Геологоразведочная партия, мониторинг нефтегазопроводов, системы охраны границы Энергоснабжение общее каждого объекта по отдельности, с увеличением числа ГЭУ в соответствии с количеством объектов Энергопитание датчиков, внешнего и внутреннего освещения, видеокамер, трансляторов, поддержания сотовой связи и интернета с увеличением числа ГЭУ-0,1 для каждого удаленного объекта
Многоэтажный жилой дом, производственный цех Энергоснабжение общее с увеличением общей мощности ГЭУ до 100 кВт за счет увеличения количества ВЭУ и/или солнечных модулей в зависимости от местных условий повторяемости ветра/солнца Энергопитание внешнего (внутреннего) освещения с увеличением числа ГЭУ-0.1 для каждого осветительного объекта (подъездное освещение, дежурное освещение и т.п.)
Любой объект - потребитель энергии установленной мощностью до 100 кВт Компоновка системы ГЭУ в соответствии с требованиями к энергоснабжению объекта Компоновка системы ГЭУ в соответствии с требованиями к энергоснабжению объекта
Материал подготовлен в рамках Гос. контракта № 16.516.11.6010 от 19.04.2011 г.
Список литературы
1. Соломин Е.В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок: монография. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011.
2. Безруких П.П. Использование энергии ветра. М.: Колос, 2008.
3. Rooftop Wind Turbines Ready For Commercial Use. - http://www.metaefficient.com/renewable-power/ rooftop-wind-turbines-ready-for-commercial-use.html.
4. Официальный сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль»: www.src-vertical.com. С. 1.
5. Николаев В.Г. Методология ресурсного и технико-экономического обоснования использования ветроэнергетических установок / Диссертация. Москва: ВИЭСХ, 2012.
6. Соломин Е.В., Холстед Р.Л. Технические особенности и преимущества ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология -ШЛББ. 2010. № 1. С. 36-41.
7. Соломин Е.В. Сравнительные характеристики вертикально-осевых ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология - 181ЛББ. 2010. № 1. С. 48-53.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
