CC BY
0УДК 620.9 Мицура Д.И., Явнов И.Д., Короткое В.В.
Мицура Д.И.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Явнов И.Д.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Коротков В.В.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
НОВАЯ СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С НАКОПИТЕЛЕМ ПЕРЕКАЧИВАЕМОЙ ВОДЫ ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Аннотация: в данной статье описан один из способов генерации электроэнергии. Ключевые слова: возобновляемая энергия, источник энергии, солнечная энергия.
Среди всех возобновляемых источников энергии (ВИЭ) ветер и солнечная энергия являются наиболее широко используемыми источниками энергии для устойчивого производства электроэнергии из-за их бесплатной и легкой доступности в изобилии на Земле. Несмотря на постоянное и огромное развитие технологий производства электроэнергии, нынешние системы производства
2252
возобновляемой энергии по-прежнему не являются надежными и адекватными для удовлетворения глобального спроса на чистую энергию. Многие вопросы, проблемы и проблемы, такие как интеграция сети, качество электроэнергии, стоимость, отказы электростанций, по-прежнему вызывают обеспокоенность. Большое количество людей по-прежнему живут без доступа к электричеству. Даже в Китае, стране с самой высокой установленной мощностью ветровой энергии в мире, 2,4 миллиона домохозяйств не имеют доступа к электроэнергии, согласно данным «Мирового отчета о малой ветроэнергетике за 2016 год», представленного Всемирной ассоциацией ветроэнергетики (ЕА). Во многих таких отдаленных и сельских районах до сих пор нет надежды на доступ к электроэнергии, поскольку установка новых электроподстанций и линий электропередачи экономически нецелесообразна из-за географических ограничений в этих местностях. Автономные системы генерации электроэнергии являются единственным вариантом электрификации этих территорий, но вместо традиционных систем, таких как энергосистемы с приводом от дизельных двигателей, установка небольших автономных систем производства электроэнергии из возобновляемых источников (ВИЭ) может быть интересным применением ВИЭ.
Поэтому, с целью обеспечения избытка чистой энергии, в этой статье предлагается изолированная солнечная фотоэлектрическая (ИСФ) система производства электроэнергии, подходящая для жителей этих отдаленных и сельских районов. Предлагаемая система полностью отличается от всех существующих систем производства солнечной энергии. Электроэнергия в предлагаемой системе вырабатывается за счет гидроэнергии, которая накапливается солнечным водяным насосом (СВН) в виде потенциальной энергии воды в водоеме. Основным источником энергии в предлагаемой системе является солнце, тогда как в других системах - ветер, а не солнце, из-за чего предыдущие системы не могут быть установлены в районах, где среднесуточная скорость ветра слишком низкая или очень частые колебания ветра. В таких местах данную систему можно установить без каких-либо эксплуатационных
2253
проблем. Кроме того, ветровая система создает шумовое загрязнение, что нежелательно в жилых районах. При этом энергосистема ИСФ работает бесшумно, без нежелательного шума. Быстрый ежегодный рост на 35-40%, производство фотоэлектрических элементов мощностью около 10,66 ГВт в 2009 году и рекордный КПД тонкопленочных солнечных элементов - от 16,5 до 20% -сделали системы СВН одним из лучших вариантов для удовлетворения мировых потребностей в энергии устойчивого будущего. Стоимость установки ИСФ-систем также снизилась благодаря значительному повышению эффективности солнечных батарей. Несмотря на то, что солнечная энергия, как и энергия ветра, также вездесуща и безвредна для окружающей среды, она имеет существенный недостаток, заключающийся в ее переменном и непостоянном характере, из-за которого выходная мощность систем ИСФ не является постоянной. Ввиду из-за переменных характеристик солнечного излучения энергосистемы ИСФ должны быть способны справляться с колебаниями и неопределенностью выходной мощности. Таким образом, для обеспечения бесперебойного питания необходима гибридная система, использующая солнечную и другие источники энергии.
Для четкого и систематизированного описания предлагаемой системы производства электроэнергии все ее аспекты описаны в следующих подразделах:
Основными составляющими нынешней системы производства электроэнергии являются: система ИСФ, СВН, пико-гидротурбина, (РНТ)-генератор, напорный насос, клапаны регулирования подачи воды и плавающий клапан. Для извлечения максимальное солнечное излучение из имеющихся в наличии, соответствующее МРРТ также может быть использовано в системе ИСФ. В качестве нижнего резервуара системы РНББ используется подходящая открытая скважина. СВН и РНТ-генератор монтируются отдельно на двух подходящих фундаментах с опорами достаточной прочности внутри открытого колодца чуть выше уровня воды. Если используется СВН погружного типа, он остается в воде. Урна сконструирована на земле таким образом, чтобы обеспечить доступ к головке благодаря расстоянию между центром расстояние
2254
между рабочим колесом РНТ и верхней внутренней поверхностью ВР равно максимальному напору воды, требуемому для используемого РНТ. Напор СВН равен расстоянию между уровнем воды в колодце и верхней поверхностью ВР. Напорный трубопровод через регулирующий клапан подачи воды подсоединен к ВР и РНТ. Между СВН и ВР подсоединен еще один трубопровод для хранения воды в ВР. В УР также подсоединена переливная труба для повторного слива лишней воды из УР в колодец, если он переполнен. Для подачи электроэнергии, генерируемой системой ИСФ, в СВН, между ними аккуратно прокладывается электрический кабель.
В отличие от всех других существующих систем электроснабжения ИСФ, электроэнергия СВН, вырабатываемая в предлагаемой системе, подается непосредственно и исключительно на СВН, в течение всего периода ее эксплуатации, а не на нагрузку. СВН забирает воду из открытого колодца и накапливает ее в ВР. Вода, накопленная таким образом в ВР, попадает на лопасти рабочего колеса РНТ через напорный клапан. Потенциальная энергия воды преобразуется в кинетическую энергию и создает вращательное движение в крыльчатке РНТ, которая вращает связанный с ней генератор. Таким образом, генератор вырабатывает электроэнергию и подает ее потребителю. Вода, после передачи своей энергии крыльчатке РНТ, сбрасывается в скважину, откуда она снова накапливается в ВР с помощью СВН, а затем снова попадает на крыльчатку РНТ через напорный патрубок. Этот цикл с использованием одного и того же количества воды повторяется снова и снова, и непрерывная подача электроэнергии поддерживается на протяжении всей работы системы. Возможности ИСФ-систем, СВН и ВР, в предлагаемой системе, сконструированы таким образом, что в дневное время предлагаемая система способна накапливать достаточное количество воды, необходимое для работы системы для выработки электроэнергии в течение всего дня и ночи непрерывно при заданном ежедневном солнечном облучении. Таким образом, если перед началом работы системы резервуар полностью заполнен водой, предлагаемая система работает непрерывно в течение дня и ночи, обеспечивая выработку
2255
электроэнергии независимо от солнечного излучения. Фактически, выходная мощность предлагаемой системы зависит от скорости слива воды РНТ и доступный напор воды зависят от расстояния между крыльчаткой РНТ и максимальным уровнем воды внутри ВР, который является постоянным и фиксируется равным максимальному напору воды, необходимому для РНТ, используемого в системе. Следовательно, если скорость подачи воды РНТ однажды отрегулировать таким образом, чтобы генерировать напряжение, равное номинальному, предлагаемая система будет непрерывно генерировать энергию при постоянном напряжении, близком к номинальному, независимо от изменений солнечной радиации или ее отсутствия в ночное время. Солнечная радиация изменяется в течение предлагаемая система влияет только на скорость слива воды из СВН, что влияет на скорость заполнения водой, которая будет храниться в ВР, но не на вырабатываемую мощность. Следовательно, на выходную мощность предлагаемой системы абсолютно не влияют изменения или даже отсутствие солнечного излучения. Однако, когда солнечное излучение слабое днем или равно нулю ночью, расход воды в водохранилище и, следовательно, скорость заполнения водой водохранилища либо меньше, чем расход воды в водохранилище, либо равна нулю, из-за чего уровень воды в водохранилище начинает падать. В таких ситуациях напор воды РНТ начинает снижаться. уменьшается из-за падения уровня воды внутри ВР от его максимальной точки. Поэтому, чтобы поддерживать напор воды в системе РНТ практически постоянным, в данной статье предлагается очень простой и новаторский метод, который не допускает изменения напора воды в системе РНТ выше заданного предела. Таким образом, напор воды РНТ достигается практически постоянным в предлагаемой системе с помощью предлагаемого способа, согласно которому внутренняя высота ВР рассчитана на величину, значительно меньшую, чем разница между максимальным и минимальным заданным напором воды пределы используемой РНТ. При этом максимальное изменение напора воды РНТ ограничено только внутренней высотой ВР, которая в предлагаемой системе невелика, и поэтому изменение напора воды РНТ
2256
незначительно. Следовательно, предлагаемая система является самодостаточной для поддержания напора РНТ практически постоянным, что является необходимым требованием для выработки электроэнергии при постоянном напряжении. Для того чтобы колебания нагрузки не влияли на работу системы, баланс мощности в предлагаемой системе может легко поддерживаться просто с помощью резистивных фиктивных нагрузок, каждая из которых отдельно подключена к параллельно с каждой фактической нагрузкой через двусторонний переключатель. Когда фактическая нагрузка отключается с помощью двустороннего переключателя, манекен нагрузка включается автоматически, и наоборот. Одним из важных аспектов, который следует отметить, является то, что во время эксплуатации предлагаемой системы существует некоторая вероятность загрязнения колодезной воды. Таким образом, чтобы исключить даже малейшую вероятность попадания примесей в питьевую воду, в данную систему может быть включен любой из экономически эффективных методов.
Рисунок 1. Схема предполагаемой системы.
2257
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. - 343 с;
2. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию //Беляев Л.С., Марченко О.В., и др.-Новосибирск: Наука, 2000. - 269 с;
3. Новая энергетическая политика России. Под общ. ред. Ю.К. Шафраника. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 512 с;
4. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России. Национальный доклад - М., 1999. [Электронный ресурс]. URL: https://www.inter-solar.ru;
5. Виссарионов В.И., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., и др. Расчет ресурсов ветровой энергетики. - М.: Изд-во МЭИ, 1997. - 32 с
2258
Mitsura D.I., Yavnov I.D., Korotkov V. V.
Mitsura D.I.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Yavnov I.D.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Korotkov V.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
NEW SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM WITH PUMPED STORAGE WATER FOR UNINTERRUPTED POWER SUPPLY AT CONSTANT VOLTAGE
Abstract: this article describes one of the methods for generating electricity. Keywords: renewable energy, sources, solar energy.
2259
