CC BY
21Статья поступила в редакцию 06.02.12. Ред. рег. № 1205
The article has entered in publishing office 06.02.12. Ed. reg. No. 1205
УДК 502.174.3
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КЛАСТЕРНОГО ПОДХОДА В ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
В.И. Велькин
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел./факс: (343) 375-95-08, тел.: (343) 375-47-78, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 10.02.12 Заключение совета экспертов: 15.02.12 Принято к публикации: 20.02.12
Представлен кластерный подход в обеспечении энергоснабжения удаленного децентрализованного объекта. Он характеризуется комплексным использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) с расширенным спектром видов НВИЭ. Применение такого подхода диктуется особенностями резко-континентального климата на большей части территории России, а также необходимостью использовать одновременно различные виды НВИЭ с относительно низким энергопотенциалом.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, комплексное использование НВИЭ, кластер НВИЭ, энергоэффективный дом.
OPTIMIZATION OF THE CHOICE OF POWER SUPPLY ON THE BASIS OF CLUSTER APPROACH IN THE USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES
V.I. Velkin
Ural Federal University named after the First Presidend of Russia B.N. Yeltsin 19 Mira ave., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel./fax: (343) 375-95-08, tel.: (343) 375-47-78, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Referred: 10.02.12 Expertise: 15.02.12 Accepted: 20.02.12
The cluster approach for ensure the supply of decentralized remote object. It is characterized by the integrated use of alternative and renewable energy sources with a wide spectrum of renewable energy. This approach is dictated by the peculiarities of sharply continental climate in most parts of Russia, and also the need to use simultaneously different types of renewable energy with a relatively low potential energy.
Keywords: renewable energy, integrated use of renewable energy, renewable energy cluster, energy-efficient house.
Россия - страна с огромными территориями. Такой географический потенциал усложняет и удорожает любую транспортировку, строительство протяженных ЛЭП, нефте- и газотрубопроводов. В то же время территории являются неоценимым ресурсом для использования ВИЭ.
Применение моноэнергетических ВИЭ (например, ветроэлектростанций) целесообразно в определенных местах, имеющих значительный ветро- или солнечный потенциал. Однако отсутствие ветра или солнца может привести к полной потере энергоснабжения, обеспечивающего жизнедеятельность людей. Выходом из такого положения могут быть гибридные системы с расширенным набором разных видов НВИЭ [1].
Внедрение гибридных систем с широким спектром НВИЭ осложняется для разработчиков и проектантов необходимостью знания ими технических и функциональных особенностей каждого из нетрадиционных и возобновляемых источников. Кроме того, возможность применения различных сочетаний гибридов ограничивается наличием или отсутствием соответствующих климато-географических факторов и, конечно, экономической целесообразностью. Все это в целом определяет актуальность разработки методики оптимизации состава гибридных систем на основе кластерного подхода [2].
Среди возобновляемых источников энергии широко распространены ветроэнергетические, малые гидроэнергетические (в т.ч. микро-, мини- и малые
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (106) 2012 сл © Научно-технический центр «TATA», 2012 u '
ГЭС), солнечные установки: солнечные коллекторы (СК), солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), биогазовые установки (БГУ), а в числе нетрадиционных источников энергии (тепла) - тепловые насосы с использованием низкопотенциального тепла грунта, сбросных вод очистных сооружений, тепловых стоков промышленных отходов или просто окружающего воздуха вплоть до небольших отрицательных температур.
Все указанные источники энергии могут использоваться в той или иной конфигурации в составе гибридных установок, состоящих из дизель- или газогенератора (для гарантированного обеспечения энергией) и вариативного набора НВИЭ.
Так, известны гибридные ветро-солнечные, вет-ро-дизельные и дизель-ветро-солнечные установки, использующие два и три ВИЭ (соответственно, дуплекс и трио-системы). Таким образом, теоретически возможно наращивание резервирования систем с учетом местных, региональных или территориальных возможностей, до квадро- (четырех), пента- (пяти), сикстет- (шести), септ- (семи) видов НВИЭ в соответствующие кластеры (кластер - группа объектов с общими признаками).
В России, в Свердловской области, в 2005 г. был введен в эксплуатацию Энергоэффективный дом (п. Растущий Белоярского района, пер. Профессорский, д. 1), особенностью которого явилось использование дизель-генераторов (ДГ) и широкого спектра нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (рис. 1) [2].
Рис. 2. Солнечные коллекторы Fig. 2. Solar collectors of energy-efficient house
Рис. 1. Энергоэффективный дом с комплексом нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Fig. 1. Energy-efficient house with a set of renewable energy
В составе НВИЭ дома три ветроэнергетические установки (рис. 1) суммарной установленной мощностью 8,3 кВт, ветронасос, 16 солнечных коллекторов (рис. 2) тепловой мощностью 32 кВт; 80 фотоэлектрических преобразователей (рис. 3) пиковой мощностью 2,4 кВт, тепловой насос мощностью 5,5 кВт и биогазовая установка (рис. 4) рабочим объемом 8,8 м3) [3, 4].
Рис. 3. Фотоэлектрические преобразователи на энергоэффективном доме Fig. 3. Photovoltaic panels of energy-efficient house
Рис. 4. Биогазовая установка энергоэффективного дома Fig. 4. Biogas plant
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
В рассматриваемом кластерном подходе указанная система обозначится как септ-кластер: ДГ(1)+ВЭУ(2)+ВН(3)+СК(4)+ФЭП(5)+ТН(6)+БГУ(7). Кроме указанных НВИЭ, на близлежащей к энергоэффективному дому плотине Верхне-Бобровского пруда была установлена переносная микро-ГЭС (мГЭС) с ротором Банки, успешные испытания которой прошли в сентябре 2011 г. Таким образом, мГЭС также может быть включена в состав кластера как составляющая комплекса НВИЭ.
Различные сочетания-кластеры могут стать востребованы лишь при определенных условиях (наличие соответствующих источников энергии), их рентабельность зависит от точного выбора видов НВИЭ, соотношения замещаемых каждым НВИЭ мощностей и, наконец, возможностей заказчика.
Для рассмотрения вопроса о соотношении замещаемых мощностей целесообразно ввести в терминологический оборот распределение кластеров НВИЭ на типы. Условно кластеры могут быть разделены на 5 основных типов:
1) микро-кластер (Эстет);
2) мини-кластер (Аварийный);
3) малый;
4) средний;
5) полный.
Каждый из пяти указанных типов должен надежно обеспечить определенный уровень мощности (долю энергетических потребностей) от полной потребности в энергозатратах по объекту, независимо от отсутствия какого-либо одного источника энергии (табл. 1).
Таблица 1
Доля обеспечения мощности в зависимости от типа кластера
Table 1
The share of software power, depending on the type of cluster
Для представленной классификации с долями обеспечения энергетических затрат необходимо понимать, что «полный кластер» Б обеспечивает уровень, соответствующий 100% потребностей каждого конкретного потребителя, а тип «Эстет» (или микро-
кластер Э) гарантированно обеспечит только 5% потребностей, которых хватит на эстетическое освещение территории, но может не хватить на аварийные нужды (например, функционирование мощной помпы при тушении пожара).
В качестве объектов потребления, использующих любой из кластеров по своему выбору, могут выступать и отдельный дом-коттедж (Б 10 кВт), и многоквартирный дом (Б 100 кВт), и жилой поселок (Б 200-500 кВт), и микрорайон (Б 500-10000 кВт), промышленное предприятие любой мощности и т.д. В соответствии с табл. 1 это означает, что микрокластер «Э» должен обеспечить для дома-коттеджа мощность 500 Вт, для многоквартирного дома 5 кВт, для жилого поселка 10-25 кВт и т.д.
Важнейшим условием эффективности при построении энергетической системы на основе кластерного подхода становится оптимизация внутренней структуры по типам НВИЭ и мощностям. Такая задача может быть решена, например, с использованием многофакторного регрессионного анализа.
При построении «долевого» распределения между установками НВИЭ необходимо исходить из того, что в любой момент времени гибридный энергетический кластер (комплекс НВИЭ) должен обеспечить надежное покрытие нагрузок, соответствующих мощностям, представленным в табл. 1.
Оптимизация внутренней структуры кластера по типам и мощностям означает выбор установленной мощности для каждого вида оборудования НВИЭ, входящего в состав кластера гибридной энергосистемы.
Так, для микро-кластера «Эстет» необходимой гарантированной долей (в соответствии с табл. 1) будут являться 5%, которые должен обеспечить ДГ. В то же время «гибридность» «Эстет»-кластера должна быть поддержана в дуплекс-системе ветроус-тановкой соответствующей мощности, покрывающей те же 5% потребностей, либо другим видом ВИЭ.
В табл. 2 представлены возможные (но не обязательные) сочетания НВИЭ по типам кластеров и долям мощности.
Необходимость введения кластерного подхода в энергообеспечении децентрализованных потребителей России определяется целым спектром особенностей нашей страны:
- протяженностью территорий и удаленностью потребителей от централизованных сетей;
- необходимостью (в отсутствие НВИЭ) обеспечения топливом на продолжительный период («северный завоз»);
- малой плотностью населения в удаленных районах;
- актуальностью сохранения и поддержания демографического уровня населения;
- необходимостью повышения качества жизни, благосостояния и (для некоторых районов) сохранения этноса;
- средним невысоким уровнем доходов значительной части населения.
Тип кластера Обозначение Доля обеспечения мощности, %
Полный (Full) F 100
Средний (Middle) M 50
Малый (Small) S 20
Мини-кластер (Аварийный) A 10
Микро-кластер (Эстет) Э 5
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (106) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Таблица 2
Возможные сочетания НВИЭ по типам кластеров и долям мощности
Table 2
The possible combinations of nontraditional and renewable energy on the types of clusters and shares power
Тип кластера Состав энергетического оборудования кластера Покрываемая мощность, в % от потребляемой
Микро-кластер НВИЭ (Эстет) (5%) Micro-cluster A&RE (Alternative and Renewable Energy) (Esthete) (5%)
Двойной гибрид Э-2 ДГ+ВЭУ Э-2 5%+5%
Трио-кластер Э-3 ДГ+ВЭУ+ФЭП 5%+4%+1%
Квадро-кластер Э-4 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН 4%+3%+0,5%+1,5%
Пента-кластер Э-5 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС 4%+2%+0%+1 %+2%
Сикстет-кластер Э-6 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС +БГУ 3 %+2%+0,5 %+1 %+2%+0, 5
Мини-кластер НВИЭ (Аварийный) (10%) Mini-cluster A&RE (emergency) (10%)
Двойной гибрид А-2 ДГ+ВЭУ А-2 10%+10%
Трио-кластер А-3 ДГ+ВЭУ+ФЭП 10%+9% +1%
Квадро-кластер А-4 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН 9%+7%+ 1%+2 %
Пента-кластер А-5 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС 8%+5%+0,5%+1,5 %+2%
Сикстет-кластер А-6 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС +БГУ 7%+2%+0,5 %+1 %+2%+0, 5
Малый (Small) кластер НВИЭ (20%) Small-cluster A&RE (20%)
S-2 ДГ+ВЭУ 20%+20%
S-3 ДГ+ВЭУ+ФЭП 20%+15%+5%
S-4 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН 18%+15 %+1 %+4%
S-5 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС 16%+7%+0,5%+2,5%+6%
S-6 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС +БГУ 15 %+2 %+0, 5 %+1 %+2 %+0, 5
Средний (Middle) кластер НВИЭ (50%) Average-cluster A&RE (50%)
M-2 ДГ+ВЭУ М-2 50%+50%
M-3 ДГ+ВЭУ+ФЭП 50%+45%+5%
M-4 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН 45%+35%+2%+13%
M-5 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС 40%+20%+2%+8%+20%
M-6 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН+мГЭС +БГУ 35%+2%+0,5%+1%+2%+0,5
Полный (Full) кластер НВИЭ (100%) Full-cluster A&RE (100%)
F-2 ДГ+ВЭУ F-2 100%+100%
F-3 ДГ+ВЭУ+ФЭП 100%+90%+10%
F-4 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН 90%+80%+5%+15%
F-5 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН (СК)+мГЭС 80%+40%+4%+16%+40%
F-6 ДГ+ВЭУ+ФЭП+ТН(СК)+мГЭС +БГУ 70%+35%+5%+15%+35%+15
Последнее обстоятельство для России имеет немаловажное значение в связи с невозможностью частных потребителей ориентироваться на кластеры S, M, F из-за высокой удельной стоимости установленной мощности и, как следствие, общей цены оборудования.
Состояние и потенциальное изменение установленной мощности, текущей и ожидаемой стоимости энергии от ВИЭ известны и представлены в табл. 3
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Таблица 3
Состояние и потенциальное изменение установленной мощности, текущей и ожидаемой стоимости энергии от ВИЭ
Table 3
Status and potential change of installed capacity, current and expected energy costs from A&RE
Уровень установленной мощности и ее рост за 5 лет, ГВт (% в год) Стоимость
Технологии ВИЭ удельная установленной мощности, $/кВт текущая энергии новых систем, ц/кВтч ожидаемая в будущем, ц/кВтч
Электроэнергия ВЭУ 204 (25) 1100-1700 5-13 3-10
Фотоэлектричество 39,8 (30) 5000-10000 25-125 5-25
Электроэнергия от солнечных ТЭС 1,1 (5) 3000-4000 12-18 4-10
Низкопотенциальное тепло от солнечных установок 28 (т) (8) 500-1700 3-20 2-10
Электроэнергия от ГЭС: - мощных - малых 672 (2) 35 (3) 1000-3500 1200-3000 2-8 4-10 2-8 3-10
Биомасса: - электричество - тепло 59 (3) 254 (3) 900-3000 250-750 5-15 1-5 4-10 1-5
Рис. 5. Схема функционирования септ-кластера НВИЭ в энергообеспечении энергоэффективного дома: ДГ - дизельгенератор; ВЭУ - ветроэнергетические установки; ФЭП - фотоэлектрические преобразователи; мГЭС - микрогидроэлектрическая станция; БГУ - биогазовая установка на отходах жизнедеятельности; СК - солнечные коллекторы; К - контроллеры; Газо-Г - низконапорный газогенератор на очищенном биогазе; АКБ - аккумуляторные батареи; ТН - тепловой насос с грунтовым зондом (источник низкопотенциальной энергии); ГК - газовый котел «УаШапЬ; Х - абсорбционный холодильник; ПК - персональный компьютер; ТВ - телевизор, радио; LED-освещение - освещение на базе светодиодов; АЦП - аналого-цифровой преобразователь Fig. 5. The scheme of functioning of the septa cluster A&RE for power supply of energy-efficient house: ДГ - Diesel; ВЭУ - wind turbines; ФЭП - photovoltaic cells; мГЭС - micro hydroelectric station; БГУ - biogas plant on the waste of life; СК - solar collectors; К - controllers; Газо-Г - low-pressure gas generator on the purified biogas; АКБ - batteries; ТН - source heat pump with ground probe (the source of low potential energy); ГК - gas boiler "Vaillant"; X - absorption refrigerator; ПК - PC; ТВ - TV, radio; LED-освещение - lighting based on LEDs; АЦП - analog-to-digital converter
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (106) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Задачи, стоящие перед российской возобновляемой энергетикой, требуют обновленного подхода при решении проблемы устойчивого гарантированного и экономически целесообразного для удаленных объектов, регионов, территорий обеспечения энергией.
В качестве такого подхода и целесообразно использование расширенного комплексного применения различных видов НВИЭ (кластеров) с учетом возможностей природно-климатического потенциала конкретного региона, территории.
Заказчик (муниципалитеты, мелкие производители, частные лица) на удаленных территориях смогут сами выбирать тип кластера и соотношения по видам НВИЭ в зависимости от потребностей и возможностей. При этом мотивацией для роста интереса к НВИЭ (как и во всем мире) является рост стоимости органических топлив, конечность их запасов на планете и объективный вектор на постепенное снижение удельных затрат при использовании НВИЭ в мире.
Принципиальная схема функционирования септ-кластера энергоэффективного дома представлена на рис. 5.
Представленная схема функционирования позволила в период с 2006 по 2011 г. провести исследования, накопить практический опыт использования и оценить экономическую целесообразность применения различных типов кластеров нетрадиционных и возобновляемых источников энергии [5, 6].
По своим мощностным параметрам септ-кластер энергоэффективного дома обеспечивал до 15% от уровня «Full» и гарантировал минимальные (аварийные) потребности. В их числе:
- дежурное освещение помещений в доме;
- декоративное освещение территории светодиодными LED-светильниками;
- питание автоматики газовых котлов;
- энергообеспечение скважного насоса для подачи воды;
- электропитание средств коммуникаций (телевидение, радио, телефон, компьютеры);
- энергообеспечение энергомалозатратных бытовых абсорбционных холодильников;
- обеспечение ГВС в период с апреля по октябрь;
- отопление тех. блока (круглогодично);
- использование низкоэнергоемких электроинструментов;
- энергообеспечение кондиционера в дни повышенной инсоляции;
- гарантированное энергообеспечение пожарной электропомпы.
С учетом специфики России (протяженность транспортных коммуникаций или их отсутствие, гигантские территории, резко-континентальный климат с низкопотенциальными ветрами и относительно низкая инсоляция) кластерный подход при использо-
вании возобновляемых источников энергии становится еще более конкурентоспособной альтернативой. Он может интенсифицировать процесс внедрения НВИЭ, постепенно вывести его на новый уровень и способствовать реализации программы по достижению намеченных в стране индикаторов к 2020 г. - 4,5% выработки энергии за счет возобновляемых источников энергии.
Внедренный проект «Энергоэффективный дом с комплексом возобновляемых источников энергии» стал победителем «Национальной экологической премии» в номинации «Энергетика будущего», учрежденной фондом им. В.И. Вернадского (Москва, РАН, декабрь 2009 г.). Кластерный подход, реализованный в энергоэффективном доме, каждый год неоднократно демонстрирует надежность энергоснабжения.
Список литературы
1. Данилов Н.И., Тягунов Г.В., Щеклеин С.Е., Велькин В. И. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании энергетического комплекса Свердловской области // Научно-технический журнал «Энергоэффективность». Нижний Новгород. 2004. Вып. 1-2.
2. Щеклеин С.Е., Власов В.В., Велькин В.И., Тягунов Г.В. Оптимизация структуры ВИЭ для обеспечения ответственных потребителей автономного жилого дома. Тезисы 6-го Всероссийского совещания по энергосбережению. Екатеринбург, 2005.
3. Велькин В.И., Щеклеин С.Е., Тягунов Г.В. Первые результаты инновационного проекта «Энергоэффективный дом» в Свердловской области // Энергоанализ и энергоэффективность. Екатеринбург, 2005.
4. Велькин В.И., Щеклеин С.Е., Тягунов Г.В. Инновационный проект вузов Свердловской области «Энергоэффективный дом для села». Тезисы конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения». Нижний Новгород, 2005.
5. Велькин В.И., Банных С.Е., Щеклеин С.Е. Обеспечение резервно-аварийного освещения на базе фотоэлектрических панелей (ФЭП) при обесточива-нии. Сборник тезисов «Проблемы безопасности критических инфраструктур территорий и муниципальных образований». Екатеринбург, УрО РАН, 2008.
6. Велькин В.И., Щеклеин С.Е., Попов А.И., Арбузова Е.В. Опыт Свердловской области по комплексному использованию возобновляемых источников энергии в многоквартирном сельском доме. Сб. материалов Международного конгресса «Дни чистой энергии в Санкт-Петербурге». С-Петербург, Беллона, Комитет по использованию ВИЭ РосС-НИО». 2010. С. 113-114.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (106) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
