CC BY
152
USING LITHIUM-IONIC BA TTERIES IN ELECTRICAL LIGHTING SYSTEMS
A.S. Filatova
This article discusses the use of lithium-ion batteries. The advantages and disadvantages of lithium-ion batteries are presented, and a comparison of these batteries with traditional lead-acid batteries is also shown.
Key words: lithium-ion batteries, lead-acid batteries, batteries, solar lighting, energy
saving.
Filatova Anastasia Sergeevna, magister, nasti-151@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.313
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СХЕМЫ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
С.В. Ершов, С.О. Смолин
К наиболее распространенным возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся ветроэлектростанции (ВЭС). Но основным их недостатком является неравномерность выработки электроэнергии,что требует решения при электроснабжении автономных потребителей,требующих бесперебойного электроснабжения. Эту проблему отчасти можно решить при использовании дизельных электростанций (ДЭС), однако для наиболее удаленных потребителей транспортная составляющая стоимости привозного топлива достигает 70...80 %. С этой целью используются ветро-дизельные комплексы (ВДК), объединяющие в себе дизель-генераторы, ветроге-нераторы, силовые преобразователи, а также накопители энергии
Ключевые слова: ветро-дизельные установки, энергия ветра, ветро-водородная установка.
Технические решения по применению энергии ветра успешно реализуются по всему миру. Так в 2016 г. общая мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) составила более 247 ГВт. Специалисты из Всемирного Совета по использованию энергии ветра полагают, что к 2020 году, благодаря интенсификации ввода мощностей, эта цифра составит 540 ГВт.
Самые большие парки ветроустановок имеют Германия и США. По темпам интенсификации мощности ветроэнергосистем лидерами являются Индия и Китай.
Стремительно продолжается интеграция ветроэлектростанций в энергетические системы. Мощность отдельных ветроустановок приближается к отметке 6 МВт. Намечается тенденция, когда основные производители не принимают участие в разработке новых ветроустановок малой мощности, уступая это направление малоизвестным развивающимся компаниям.
Наибольшая средняя скорость ветра в центральных регионах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле.
По оценкам специалистов [1] валовой ветровой потенциал России составляет 80-1015 кВт-ч/год, технический ветровой потенциал составляет - 6,2- 1015кВт-ч/год, экономический ветровой потенциал достигает - 40- 109кВт-ч/год.
Но в то же время Россия, с учетом указанных выше цифр количества ветро-энергоресурсов, находится на 125-м месте в мире по суммарной мощности установленных ветрогенераторов. Для российской альтернативной энергетики характерно некоторое отставание как в области ветроэнергетических технологий, в том числе и по части внедрения зарубежных ВЭУ. Одним из направлений для исправления подобной ситуации является постановление Правительства №1 от 16 января 2009 года, в нем указывается, что суммарная мощность ВЭУ относительно общей генерируемой мощности к 2020 г. должна быть доведена до 4,5%.
Прежде чем внедрять ветроустановку необходимо провести предварительный выбор типа и мощности конкретной ветроустановки. Эти параметры выбираются только после всестороннего анализа ветровых характеристики обработки результатов метеослужбы и анализа графиков электрических нагрузок потребителей населенных пунктов рассматриваемого района.
Для того, чтобы оценить природный климатический ветроэнергопотенциал необходимо воспользоваться показателем средней годовой удельной мощности ветрового потока на единицу площади ветроколеса, которое перпендикулярно направлению ветра. В соответствии с этими характеристиками природно-климатический потенциал энергии ветра будет иметь размерность Вт/м2.
Энергия, которую вырабатывает ветрогенератор, может быть рассчитана по следующей формуле:
Р=0,5-гьо-8-Ср-Уъ-Ы%-Ыь, где Р - мощность в ваттах; рьо- плотность воздуха (1,225 кг/м3); Б - площадь ометания ротора (3,14-/допасти2), м2; V- скорость ветра, м/с; Ср - аэродинамический коэффициент (теоретически 0,5, на практике - 0,35); ^ - КПД генератора; Ль- КПД редуктора (если есть).
Перечисленные составные части данной формулы для конкретной установки, кроме скорости ветра, являются постоянными числами (изменением плотности воздуха из-за температуры можно пренебречь). Поэтому с некоторой долей точности можно утверждать, что мощность, которая вырабатывается ветрогенератором, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. На практике скорость ветра может колебаться от 0 до 30 - 40 м/св одних и тех же районах, что относит ветроустановки к весьма нестабильным источникам энергии.
Большую стабильность характеристик имеют ветродизельные установки. Вет-родизельные комплексы-это системы, в состав которых входит ветрогенератор и дизель-генератор. Кроме того, в составе ветро-дизельного комплекса могут быть включены преобразователи электроэнергии, аккумуляторы и балластная нагрузка. Подобные установки проектируются для сокращения расхода топлива на дизельных электростанциях для потребителей удаленных районов, системы электроснабжения которых не имеют возможность подсоединения к энергосистеме. Это в свою очередь приводит к некоторому уменьшению расходов на приобретение и доставку ГСМ.
В настоящее время только немецкий концерн «Епегсоп» имеет готовое решение ветродизельного комплекса. Для уменьшения высоких начальных капитальных затрат сооружение ветродизельных комплексов концерн рекомендует реализовывать в два этапа.
Малоэффективная работа ветро-дизель генераторной установки будет в том случае, если к существующим дизель-генераторам будет подключено от 30 до 50% проектных мощностей ветроустановок. При этом дизель-генераторы могут быть дополнены панелями автоматического запуска. Для поддержания стабильности работы
системы на треебуемом уровне, мощность ветроустановок должна составлять неболее 35% мощности дизель-генераторов. Ветрогенераторы и дизель-генераторы необходимо запустить на параллельную работу. Подобное решение теоретически может привести к экономии и до 20% топлива, которое потребляют дизель-генераторы.
низкоэффективно
Если первоначальные капитальные вложения себя оправдали, а надежная работа ВДК - обеспечена, предполагается ввод второй очереди ветроэлектростанции.
На следующем этапе для повышения энергоэффективности ветродизельного комплекса в работу вводится весь парк выбранных ветроустановок. При этом наиболее целесообразным будет внедрение «ветроэнергетической составляющей», которая способна генерировать 100...150% требуемой мощности электроэнергии. В комплекс необходимо ввести дополнительно аккумуляторные батареи инерционные накопители. В результате предложенного технического решения (при достаточной силе и скорости ветра) дизель-генераторы могут быть выведены из работы.
Рис. 2. Структура для повышения эффективности ветродизельного комплекса
В том случае, если ветроустановками вырабатывается недостаточное количество электроэнергии, при разряде батарей и инерционных накопителей, дизель-генераторы после сигнала от устройств синхронизации, автоматически вводятся в работу. Избыток электроэнергии, вырабатываемой ветрогенераторами, в случае недостаточного потребления (например, ночном) может направляться в систему нагрева воды или уличного освещения. Подобное решение позволит более эффективно использовать энергию ветра. Управление автоматизированной системой осуществляется посредством БСЛВЛ-систем. Это может осуществляться как в ручном, так и автоматическом режиме.
Преимущества рассматриваемого комплекса альтернативного источника заключается в следующем: теоретическая экономия дизельного топлива может составлять до 80% и более в местах с хорошей энергии ветра; короткие сроки монтажа за счет блочно-контейнерного исполнения.
Ветроводородные комплексы. К главному недостатку рассматриваемых выше ветроустановок относится крайне не стабильная подача электроэнергии. Эта особенность связана с непостоянством параметров ветра (скорость, направление). При использовании большого числа ветроустановок или при параллельной работе с энергосистемой, по сравнению с которыми отдельная ветроустановка является незначительным источником энергии, непостоянство подачи энергии уменьшается. В случае работы автономной ветроэнергетической установки необходимо применение демпфирующего устройства.
В настоящее время в качестве демпфера, используемого для сглаживания пульсаций и кратковременного снижения напряжения, применяется аккумуляторная батарея. Сейчас повсеместно наиболее распространены батареи, относящиеся к свинцово-кислотному типу. Данный тип батарей наиболее дешев, однако имеет низкий срок службы (3-5 лет), низкий показатель энергоемкости на единицу массы и потребность в зарядке батареи по особому алгоритму.
Более прогрессивный тип батарей литий-ионный и никель-кадмиевый имеет лучшие массо-емкостные показатели. Но при этом данный тип слишком дорог для конструкции в составе ветродизельных установок.
В настоящее время предложен механизм применения ветровой энергии для электролиза воды и получения водорода.
I
_________I
Электроэнергия
Потребитель
Подача фильтрованной воды от источника (скважина, водопровод и т.д.)
Рис. 3. Структура ветроводородного комплекса: 1- ветрогенератор;
2 — выпрямитель; 3 — шкафуправления; 4 — электролизер; 5 — насосы; 6 — емкость для хранения дистиллята; 7 — опреснительная установка; 8 — емкость для технической воды; 9 — система хранения водорода и кислорода; 10 — топливный элемент; 11 — инвертор; 12 — трансформаторы; 13 — дизель-генераторная
установка
Принцип функционирования комплекса, использующего энергию ветра, заключается в следующем: от ветроэнергетической установки 1 далее через выпрямитель со стабилизатором напряжения 2 питание подается на шкаф управления 3. Шкаф управления служит в том числе и для питания установки. Вода, прошедшая стадию фильтрации из емкости 8 насосом, подается в опреснитель 7, где протекает процесс дистилляции. Приготовленный дистиллят накапливается в специальной емкости 6, выполненной герметичной. По мере необходимости дистиллят посредством насоса подается в электролизер 4. В электролизере вода разделяется на водород и кислород. Ука-
52
занные компоненты по газопроводам подаются в систему хранения 9. Там под давлением они закачиваются в емкости. Кислород и водород в дальнейшем могут быть использованы в технических нуждах.
Процесс обратного преобразования осуществляется холодным путем в топливном элементе 10 на катализаторе. В результате такого преобразования образуется вода, которая поступает в емкость 8 на вход установки электроэнергия, которая направляется потребителю. В случае малого ветряного давления и разряженных газовых баллонах питание потребителей переключается на работу от дизель-генераторной установки 13.
Преимущество рассмотренной схемы заключается в том, что при ее использовании не требуется синхронизация ветрогенератора с дизель-генераторной установкой. Кроме указанной схемы существуют варианты, при которых предусматривается параллельное включение ДГУ, ВЭУ с топливным элементом. Излишки энергииветра при этом идут на электролиз. Однако применение таких схем неизбежно ведет к усложнению системы управления.
Необходимо отметить, что в настоящее время в мире насчитывается всего две такие экспериментальные установки. Одна из которых построена в Канаде в городе Rawea, другая на острове Принца Эдуарда.
Для ветроводородных установок характерны теже недостатки, что для ветроди-зельных систем. К этому добавляются сложности с газовым хозяйством. Но, тем не менее, ветроводородные технологии, как утверждают многие специалисты, являются будущим энергетики. Хотя на нынешнем этапе развития, они пока неспособны в достаточной мере внедриться в традиционную энергетику.
Список литературы
1. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.В. Альтернативные энергоносители. М.: Наука, 2004. 159 с.
2. Тайсаева В.Т., Мазаев Л.Р. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Расчет энергетических показателей. Улан-Удэ: БГСХА, 2002. 107 с.
3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии; пер. сангл. М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах. М.: Высшая школа, 1989. 159 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, erschov. serrg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Смолин Сергей Олегович, магистр, Kafelene@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE FUTURE PLAN WIND-DIESEL INSTALLA TIONS S.V. Ershov, S.O. Smolin
Common RES include wind farms (wind farms). But their main drawback is the uneven power generation, which requires a solution in the power supply of Autonomous consumers that require uninterrupted power supply. This problem can be partly solved with the use of diesel power plants (DES), but for the most remote consumers, the transport component of the cost of imported fuel reaches 70...80%. For this purpose, wind-diesel complexes (WDC) are used, which combine diesel generators, wind generators, power converters, and energy storage devices.
Key words: wind-diesel installations, wind energy, wind-hydrogen installation.
53
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrg@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Smolin Sergey Olegovich, magister, Kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.577
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ ГЕРМЕТИЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В.Ю. Карницкий, А. С. Филатова
Рассматриваются вопросы о применении герметичных трансформаторов с целью обеспечения энергосбережения электрической энергии. Приведены преимущества масляных трансформаторов марки ТМГ, а также показано сравнение их с трансформаторами марки ТМ.
Ключевые слова: масляный трансформатор, трансформатор с герметичной оболочкой, электроснабжение, энергосбережение.
При оценке качества проектирования системы электроснабжения объекта, необходимо в первую очередь проверить правильность выбора силового трансформатора исходя из его характеристик, условий эксплуатации и технических особенностей конструкции. Трансформатор является одним из самых дорогих устройств, применяемых при передаче электрической энергии. Неправильно выбранная мощность трансформатора приведет либо к перегрузке самой машины, либо, наоборот, к недогрузке. В первом случае коэффициент загрузки будет больше 0,7.Второй случай наиболее актуальный в связи с изменившейся структурой энергопотребления, где коэффициент загрузки уменьшится до 0,4, что приведет к большим потерям на ток холостого хода.
При этом необходимо учитывать, что неправильный выбор силового трансформатора повлечет засобой более высокие эксплуатационные расходы, и, в том числе, может значительно снизить срок службы, как самого трансформатора, так исложного идорогостоящего оборудования, которое питается отнего.
В связи с удорожанием энергоресурсов становятся более актуальными вопросы о снижении технологических потерь электроэнергии на промышленных предприятиях. Одним из эффективных способов уменьшения потерь электроэнергии на отдельном участке, является применение энергосберегающих распределительных силовых трансформаторов типа ТМГ.
В данной статье рассматривается вопрос о преимуществах масляных трансформаторов с герметичной оболочкой марки ТМГ, для обеспечения энергосбережения электрической энергии, а также проводится сравнение с масляными трансформаторами марки ТМ.
Широкое применение получили обычные масляные трансформаторы, где существенным недостатком является то, что масло необходимо регенерировать, восстанавливать, аккуратно заливать с помощью специальных насосов.
Масляные трансформаторы марки ТМГ имеют ряд преимуществ перед масляными трансформаторами марки ТМ:
- масло не контактирует с воздухом, в следствии чего оно не окисляется и пропадает необходимость следить за его регенерацией и состоянием;
