CC BY
8УДК 620.9:001.891
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИГОН НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА
С.С. Доржиев, Базарова Е.Г., Пилипков В.В. Розенблюм М.И.
ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
Аннотация. Многие сельскохозяйственные объекты находятся в зонах децентрализованного энергоснабжения. Электрификацию таких объектов возможно обеспечить за счет энергии ветра и солнца.
Для проведения исследований экспериментальных установок ветро-солнечной аддитивной электростанции и солнечного модуля с устройством поддержания оптимального температурного режима работы был создан научно-исследовательский полигон на территории Южного Федерального округа, д. Лола Республики Калмыкия. Построены производственное и административное помещения, хозяйственные блоки с общей потребляемой мощностью мощностью 10 кВт. Проверка экспериментальных установок проводилась в течение 3 месяцев с июля по октябрь при температуре окружающего воздуха 20-50°С и скорости ветра от 4 м/с до 14 м/с. Сочетание использования энергии ветра и солнца для электроснабжения научно-исследовательского полигона в условиях Южного федерального округа позволило в течение 3 месяцев обеспечивать потребителей электроэнергией практически при любых погодных условиях.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, ветроэнергетика, ветрогенератор, ветроэлектростанции малой мощности, солнечная энергетика, научно-исследовательский полигон.
Введение. Экономическое развитие многих регионов России в значительной степени обусловлено необходимостью вовлечения в хозяйственный оборот новых, не освоенных территорий, которые в основном не имеют развитой инфраструктуры и не обеспечены энергоресурсами. Такое положение характерно, в первую очередь, для сельскохозяйственного сектора [1], причем не только на территориях страны, не охваченных централизованным энергоснабжением [2]. Согласно «Плану деятельности Министерства сельского хозяйства Российской Федерации на 2016-2021 годы» [3] в целях устойчивого развития сельских территорий должна быть решена задача стимулирования инновационного развития агропромышленного комплекса.
Россия в силу географических особенностей обладает огромным сельскохозяйственным потенциалом. Однако удаленность от линий электропередач сельских территориях не способствует развитию сельского хозяйства. Централизованное питание этих объектов электрической энергией от сетей нерентабельно. Электроснабжение таких удаленных объектов до 10 кВт обеспечивается топливными генераторами. С учетом ежегодного роста цен на топливо, а также дополнительных расходов на транспортировку и хранения топлива, энергоснабжение сельскохозяйственных объектов на удаленных сельских территориях с помощью возобновляемых источников энергии является актуальной задачей. А также в перспективе встанет вопрос энергоснабжения туристических объектов (глэмпинг-лагерей), базовых станций сотовой связи в рамках цифровизации сельского хозяйства.
Одними из наиболее эффективных систем на основе возобновляемых источников энергии являются гибридные установки, сочетающие солнечные и ветровые источники энергии. Их основные преимущества заключаются в доступности и распространённости ресурсов, а также во взаимном дополнении.
Материалы и методы.
Ветро-солнечные электростанции имеют техническую перспективу использования преимущественно в тех районах, где солнечные и ветровые потенциалы достаточно высоки для выработки электроэнергии. В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с. Ветровые зоны с наибольшим энергетическим потенциалом расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского п-ова до Камчатки. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16 % -в Западной и Восточной Сибири [4].
Потенциал использования солнечной энергии на территории нашей страны также неоднороден. Уровень солнечной радиации значительно варьируется: от 810 кВт-ч/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-ч/м2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на широте 55° солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-ч/м2, июле - 11,41 кВт-ч/м2 в день. В Элисте в течение года насчитывается около 2866.52 часов солнечного света. В среднем в месяц бывает 93.97 часов солнечного света [5].
Однако применение энергии ветра на континентальной части России на сегодняшний день затруднительно из-за непостоянства во времени развиваемой мощности ветроустановки, что значительно усложняет обеспечение оптимальных режимов генератора, наблюдается резкое понижение КПД ветроэнергетических установок при низких среднепериодических скоростях ветра 4м/с, характерных для большей части территории РФ. В таких ветровых условиях при выработке электроэнергии с помощью ветрогенератора теряется до 80% годовой энергии прихода ветрового потока, т.к. ветроэнергетические установки рассчитаны на более высокие скорости ветра 7-14 м/с [6]. А при преобразовании энергии солнца в электрическую при температуре воздуха более 25-30°С КПД солнечной панели также существенно снижается. И при таких условиях только 6 - 20 % падающего на фотоэлемент солнечного излучения используется для получения электричества [7]. Остальная энергия идет на нагрев фотоэлемента.
Для сохранения и накопления низкопотенциальной энергии ветра предлагается использовать ветро-солнечную аддитивную электростанцию с системой гидроаккумулирования. Для повышения КПД фотоэлектрического элемента разработано устройство поддержания оптимального температурного режима работы, с применением которого появляется возможность поддерживать оптимальную температуру работы фотоэлектрических элементов и избежать искажения электрических характеристик под воздействием экстремальных температур. Это достигается путем охлаждения фотоэлектрического приемника солнечного модуля теплообменом между рамой (подложкой) фотоэлектрических элементов и нижним горизонтом грунта за счет разницы температур по антигравитационному теплообменному устройству с капиллярным телом.
В Южном федеральном округе на территории городского округа Элиста (д.Лола) Республики Калмыкия был организован научно- исследовательский полигон (рис.1) для проведения испытаний экспериментальных установок ветро-солнечной аддитивной
электростанции (далее Электроснация) и солнечного модуля с устройством для поддержания оптимального температурного режима фотоэлементов (далее Солнечный модуль), предназначенных для электроснабжения сельских потребителей различного назначения. Были проведены работы по подготовке площадки, построены производственное и административное помещения, а также хоз.блоки с общей потребляемой мощностью мощностью 10 кВт.
Рисунок 1 - Научно-исследовательский полигон в Южном федеральном округе
Инфраструктура научно-исследовательского полигона включает следующие компоненты:
1. Ветро-солнечную электростанцию аддитивного режима;
2. Солнечный модуль с устройством поддержания оптимального температурного режима фотоэлементов;
3. Солнечные модули для электроснабжения жилых помещений;
4. Блок связи.
Задача, решаемая в ходе испытаний, состояла в демонстрации работоспособности функциональных возможностей Электростанции и Солнечного модуля на примерах практической работы в климатических условиях Южного Федерального округа.
Проверка экспериментальных установок Электростанции и Солнечного модуля проводилась на территории Республики Калмыкия, городской округ Элиста, пос. Лола с 01.07.2021 по 01.10.2021.
Испытания Электростанции и Солнечного модуля проводились при температуре окружающего воздуха 20-50°С и скорости ветра от 4 м/с до 14 м/с.
В течение трех месяцев с июля по октябрь 2021 были сняты почасовые показания производительности Электростанции, а также показания климатических параметров (температуры и влажности воздуха, скорости ветра и освещенности).
Результаты и обсуждение.
В результате реализации проекта были построены три типовых жилых помещения мощностью 1 кВт,в которых электроснабжение обеспечивалось солнечными панелями и испытуемым солнечным модулем с устройством поддержания оптимальной температуры фотоэлементов, производственная площадка, два хоз. блока и крытая терраса с электроснабжением от ветро-солнечной аддитивной электростанции.
На рисунке 2 показана структурная схема научно-исследовательского полигона для электроснабжения сельских потребителей, удаленных от централизованной сети.
После подготовки площадки приемочным испытаниям подверглись экспериментальные образцы Ветро-солнечной электростанция аддитивного режима и Солнечного модуля с устройством для поддержания оптимального температурного режима
ф отоэлементов.
Рисунок 2 - Структурная схема научно-исследовательского полигона
В соответствии с техническим проектом в состав Электростанции вошли следующие компоненты:
• Ветрогенератор 3-лопастной мощностью 1кВт (2 шт);
• Солнечная панель мощностью 150кВт(6 шт);
• Гибридный контроллер (2шт);
• Аккумуляторная батарея 12В (8шт);
• Инвертор для ветрогенератора 48В/220В (1шт);
• Инвертор для солнечных панелей 12В/220В (3 шт);
• Балансиры (2шт);
• Разгрузочный резистор (2 шт).
Комплектация ветрогенератора с мачтой, фундаментной арматурой и контроллером (2 шт). Система из ветровой турбины, мачты, фотоэлектрических модулей и гибридного ветро-солнечного контроллера (1 кВт от ветра + 500 Ватт от солнца), предназначена для работы с аккумуляторной секцией 48 вольт - отличное дополнение к уже существующей солнечной электростанции или как самостоятельная ветросолнечная электростанция (вместе с инвертором 48 вольт/220 вольт мощностью не менее 1.5 кВт).
Мачта свободностоящая, изготовлена в виде трехногой трубчатой усеченной пирамиды с поясами и подкосами из уголков. Она оканчивается фланцем, к которому примыкает верхняя труба мачты. К нижней части мачты трубу крепят с помощью промежуточной диафрагмы, вследствие чего конец трубы жестко соединяется с трехногой частью мачты. Опорная рама закреплена на грунте специальными буравами.Высота мачты составляет 5 метров, башня изготовлена из трубы диаметром 50 мм и укреплена укосинами трубой диаметром 32 мм. Основа башни изготовлена из металлической балки, размером 2018/100/50мм, общая длина 4036 мм. Также использовалась труба диаметром 150 мм, и
длиной 2300 мм.
Инвертор СибВольт 1548 Li-ion (преобразователь напряжения) преобразует постоянное напряжение аккумулятора 48В в переменное синусоидальное напряжение 220 В и частотой 50 Гц. Качественные характеристики такого напряжения аналогичны характеристикам напряжения в бытовой сети.
Структурная схема ветроэнергетической установки была разработана с заранее заданным КИЭВ ветродвигателя и гибридным контроллером для обеспечения возможности изменения алгоритма управления приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - структурная схема ветро-солнечной аддитивной электростанции В соответствии с техническим проектом в состав Солнечный модуля вошли:
• Солнечный модуль, включающий в себя фотоэлектрические элементы, подложку, прозрачную пластину;
• Контроллер;
• Инвертор;
• Аккумуляторные батареи;
• Антигравитационное теплообменное устройство.
Рисунок 4 - Общий вид Солнечного модуля на научно-исследовательском полигоне Солнечный модуль состоит из прозрачной пластины, подложки (теплопроводного листа), фотоэлектрических элементов, установленных между пластиной и подложкой, заключенными в раму. Габаритные размеры солнечного модуля составляют 1100*900 мм. Антигравитационное теплообменное устройство предназначено для охлаждения
фотоэлементов до оптимальной температуры 25°С за счет холода нижних горизонтов грунта. Антигравитационное теплообменное устройство в виде труб с капиллярным телом, верхняя часть которого является испарителем и соединена с подложкой, а нижняя часть является конденсатором и погружается в нижний горизонт грунта.
Общий вид Солнечного модуля представлена на фотографии на рисунке 4.
Заключение.
Сочетание использования энергии ветра и солнца для электроснабжения научно-исследовательского полигона в условиях Южного федерального округа позволило в течение 3 месяцев обеспечивать потребителей электроэнергией практически при любых погодных условиях. Таким образом, такая энергетическая инфраструктура автономного объекта на сельских территориях позволяет создавать условия для проживания в удаленных от централизованной электросети сельских территориях с малой удельной нагрузкой за счёт электроснабжения от возобновляемых источников энергии.
Разработка технических средств и оборудования для энергообеспечения с использованием сельскохозяйственных потребителей позволит вовлечь в хозяйственный оборот неиспользуемые сельхоз угодья, а также улучшить бытовых, жилищных и культурных условий сельскохозяйственных работников в том числе сезонных рабочих. Потенциальные потребители - фермерские хозяйства, сезонные полевые станы и пастбищные хозяйства, инфраструктура сельских территорий - базовые станции сотовой связи, гидрометеопосты, посты мониторинга и МЧС и т.д.
Инфраструктура, состоящая из ветро-солнечной электростанции аддитивного режима, помещений с солнечными модулями и отдельной солнечной станции с устройством поддержания оптимального температурного режима работы может обеспечить энергоснабжения автономного объекта мощностью от 10 до 16 кВт на сельских территориях, удаленных от линий электропередач. Инфраструктура обеспечивает полное электроснабжение автономных объектов на сельских территориях.
Список использованных источников:
1. Шадек, Е. Г. Тригенерация как технология экономии энергоресурсов//Энергоснабжение.2015.№ 2.
2. Долгов И.Ю., Тихомиров А.В., Харченко В.В. Энергопотребление и энергосбережение в сельскохозяйственном секторе Российской Федерации. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 2. С. 16.
3. План деятельности Минсельхоза России на 2016 - 2021 годы. Электронный ресурс: http://www.mcx.ru/documents/document/show/35599.htm (дата обращения 15.07.2021).
4. Климатические данные для возобновляемой энергетики России (База климатических данных): учебное пособие / [О.С. Попель и др.]. - М.: Изд-во МФТИ, 2009. -56 с.
5. Евдокимов, В.М. Методы расчета и исследование предельных энергетических и тепловых характеристик фотоэлектрических преобразователей солнечного концентрированного излучения. Вестник ВИЭСХ, № 1(26)/2017, стр. 111-121.
6. Dorjiev S S, Bazarova E G, Pimenov S V, Rozenblum M I. Development of wind power installations with the accelerator of an air stream for areas with a low speed of wind/ S.S. Dorjiev et al// Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Volume 1111. 012053.
7. Майоров, В.А. Исследование параметров тепло- и фотоэлектрической установки в составе солнечных модулей с концентраторами и следящей системой. Сборник ВИЭСХ, №
3(28)/2017, стр.102-108 AGRIS
Доржиев Сергей Содномович, кандидат технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79257722933, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: dss.61@mail.ru. Базарова Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79253463747, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: bazelgen08@mail.ru Пилипков Владислав Владимирович, инженер, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5,
e-mail: pilipkov2014@yandex.ru Розенблюм Мария Игоревна, ведущий инженер, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79773147074, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: Maryrozenblum @ mail. ru
SCIENTIFIC RESEARCH POLYGON ON THE BASIS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN THE CONDITIONS OF THE SOUTH FEDERAL DISTRICT S.S. Dorjiev, E.G. Bazarova, Pilipkov V.V., Rosenblum M.I.
FSBSI FNAC VIM, Moscow, Russia
Abstract. Many agricultural objects are located in areas of decentralized energy supply. The electrification of such objects can be provided by wind and solar energy. To conduct research on experimental installations of a wind-solar additive power plant and a solar module with a device for maintaining an optimal temperature regime, a scientific research polygon was created on the territory of the Southern Federal District, the village of Lola, Republic of Kalmykia. Production and administrative premises, utility blocks with a total power consumption of 10 kW were built. Testing of the experimental installations was carried out for 3 months from July to October at an ambient temperature of 20-50 ° C and a wind speed of 4 m / s to 14 m / s. The combination of the use of wind and solar energy for power supply of the research site in the Southern Federal District made it possible to provide consumers with electricity for 3 months in almost any weather conditions.
Keywords: renewable energy, wind energy, wind generator, low power wind farms, solar energy, scientific research polygon.
Sergei Dorzhiev, PhD in Engineering, Associate Professor, Head of the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79257722933, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: dss.61 @mail.ru. Elena Bazarova, PhD in Engineering, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79253463747, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: bazelgen08@mail.ru Vladislav Pilipkov, Engineer, Russia, Moscow, Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1st Institutskyproezd, 5, e-mail: pilipkov2014@yandex.ru Maria Rosenblum, Leadштп Engineer, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79773147074, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: Maryrozenblum@mail.ru
