CC BY
21
DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2020.97.7.011
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВИЭ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ
В ПРЕДГОРНЫХ И ВЫСОКОГОРНЫХ РАЙОНАХ
Научная статья
Музаев А.К.*
Северо-Кавказский Горно-Металлургический Институт (Государственный Технологический Университет),
Владикавказ, Россия
* Корреспондирующий автор (alexandr.muzaev[at]mail.ru)
Аннотация
Рассмотрены перспективы применения возобновляемых источников энергии в автономном энергоснабжении объектов предгорных районов и высокогорья. Приведены описания автономных многофункциональных энергетических комплексов, одновременно использующих преобразователи различных типов: солнечных лучей, ветрового и водяного потоков в электрическую энергию, запатентованных в Северо-Кавказском Горно-Металлургическом Институте (Государственном Технологическом Университете). Обоснована перспективность применения возобновляемых источников энергии для автономного энергоснабжения объектов высокогорья.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии; повышение эффективности применения; энергоснабжение; объекты высокогорья; автономные энергетические комплексы.
OUTLOOKS FOR RER APPLICATION FOR ENERGY SUPPLY OF AUTONOMOUS OBJECTS IN SUBMONTANE AND HIGH-MOUNTAIN AREAS
Research article
Muzayev A.K. *
North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technological University),
Vladikavkaz, Russia
Abstract
In this article, the authors consider the outlooks of the renewable energy sources application in the autonomous energy supply in the submontane and high-mountain areas. They provide the descriptions of autonomous multifunctional energy complexes that simultaneously use converters of various types: sunlight, wind, and water flow into electrical energy, patented at the North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University). The outlooks of using renewable energy sources for autonomous power supply of highland facilities are substantiated as well.
Keywords: renewable energy sources; increase in usage efficiency; power supply; highland objects; autonomous energy complexes.
Введение
Энергетические потребности всех стран мира возрастают с каждым днём. Так как в наши дни особо распространена энергетика, основанная на сжигании углеводородов, то уже давно обозначился вопрос о дальнейшем развитии электроэнергетики. Ведь нынешняя ситуация, связанная со сжиганием невозобновляемых источников, ухудшается с каждым днём, негативно воздействуя на окружающую среду.
После аварии на АЭС «Фукусима-1» в Японии в 2011 появились сомнения в дальнейшем развитии атомной энергетики. В то же время растёт доля установленной мощности возобновляемых источников энергии до 20 %.
Поэтому альтернативой нынешней энергетике может стать возобновляемая энергетика, к которой относится ветро-, солнечная, гидроэнергетика, использование биомассы, приливные, волновые электростанции и т.п. У возобновляемых источников имеются преимущества: они неистощимы; наносят меньший вред экологии; имеют более широкий доступ и потенциал на планете. Мощность ВИЭ, поступающих на Землю от Солнца, составляет 1,2 1017 Вт [1].
Особо хотелось бы отметить применение солнечных установок для автономного энергоснабжения. Ведь Солнце можно считать практически единственным видом возобновляемой энергии, не учитывая, что, примерно через 5,5 млрд лет оно погаснет. К 2050 году планируется использование и обеспечение потребностей человечества в энергетике на 25 % с помощью установок, использующих солнечную энергию. Это способно значительно сократить выбросы углекислоты.
Благодаря автономным универсальным энергетическим комплексам, использующих возобновляемые источники энергии, имеется возможность обеспечить автономной энергией малоэнергоёмкие объекты: индивидуальные жилые дома, объекты временного электроснабжения, сельскохозяйственные, рекреационные, туристические и прочие объекты. Также подобные комплексы рационально использовать в качестве резервных источников для снабжения объектов здравоохранения и военных комплексов. Особенно это актуально для высокогорных районов, энергодефицитных регионов, лишённых централизованных линий электропередач.
Вопросы применения нетрадиционной возобновляемой энергетики актуальны для стран всего мира [2], [3], [4]. Во многих странах применяются моноветро-, моносолнечные фотоэлектрические комплексы. Но также есть примеры использования энергокомплексов с учётом местных возможностей до пента- (пяти), сикстет-систем (с шестью видами оборудования) и т.д. Например, в Канаде для обеспечения отдалённых районов энергией используют гибридные установки - ветродизельные и ветроводородные. Эти методы применимы при энергоснабжении индивидуальных жилых домов, в частности, в горной зоне [5].
Горные поселения - это особые экологические системы, которые обладают огромные ресурсами. Предгорные и высокогорные районы обладают экологически чистыми видами возобновляемых источников энергии. Рассмотрим имеющийся потенциал возобновляемых энергоресурсов горных провинций Республики Северная Осетия - Алания (РСО - Алания).
Методы и принципы исследования
Больше половины территории РСО - Алания находится в горной зоне, практически оторванной от централизованного энергоснабжения. Население данной области не превышает 10 000 человек.
Гидроресурсы. Энергия водных потоков - наиболее распространенный вид экологически чистого энергоресурса возобновляемой энергии горных территорий РСО - Алания.
Суммарная длина всех основных рек республики составляет 1 926,4 км, максимальная длина реки Терек (протяжённость по Республике) - 176 км (общая длина реки составляет 623 км), суммарная потенциальная мощность составляет 1 579,4 тыс. кВт.
Также можно рассматривать мельчайшие реки Республики в качестве источников первичного энергоресурса. К ним относятся водотоки протяжённостью менее 10 км. Их насчитывается 2 270 в РСО-Алания. Потенциальная суммарная мощность мельчайших рек составляет порядка 138,4 кВт, что составляет 8,1 % от мощности основных рек.
В результате исследований стока всех рек Республики можно сказать, что общий гидроэнергетический потенциал составляет 22,7 млрд кВт-ч, технический потенциал - 11,6 млрд кВт-ч, а экономический - 5,2 кВт-ч. В настоящее время на существующих ГЭС РСО - Алания используется лишь 7 % экономически выгодного потенциала гидроресурсов, что составляет порядка 0,365 млн кВт-ч.
Энергия ветровых потоков. Воздушные массы в горных и предгорных районах РСО - Алания формируются под воздействием различных факторов: географического расположения территории, неоднородности рельефа, положения республики относительно морей и хребтов.
Горные районы изобилуют фенами - сухие тёплые ветры, которые спускаются с гор. Для предгорных зон характерна задержка холодных масс, стационирование и обострение фронтов перед препятствием.
Предполагаемый энергетический потенциал ветровой энергии РСО - Алания рассчитаем по формуле:
Эп = Vq, • S •Тгод • Kl K2 (1)
Среднегодовая скорость по территории РСО - Алания составляет Уср = 1,6 м/c, S = 8,2 тыс. км2, Тгод = 8 760 - число часов в году, K1 = 0,29 - коэффициент характеристики потоков ветра, K2 = 0,05 - коэффициент использования ветроустановки.
Эп = 1,6 • 82 000 000 • 8 760 • 0,29 • 0,05 = 1 667 тыс. кВт (2)
Энергия солнца. Республика Северная Осетия - Алания очень удобно расположена с точки зрения получения энергии солнечных потоков. Особенно это касается горных районов республики. Однако на сегодняшний день имеется очень малое количество сведений, касающихся солнечной радиации горных зон. Но, к примеру, продолжительность солнечного сияния, т.е. сумма часов солнечного сияния, приходящееся на месяц в селении Цей за год (высота над уровнем моря 1 910 м) - 2 233; в селении Коби (высота 1 987 м) - 2 011; в селении Фаснал (высота 1 700 м) - 2 331.
Возможный технический потенциал солнечной энергии республики составляет:
Sn max = 13,4 МДж/м2 • 8 000 • 106 м2 • 365 = 3,91 • 1013 МДж (3)
Без ущерба для окружающей среды можно использовать порядка 1,5 % падающей энергии, т.е. 5,9 • 1011 МДж (1,6 • 1011 кВт-ч или 2 • 107 т у. т.).
Таким образом, РСО - Алания обладает высоким потенциалом солнечной энергии, использование которого особенно важно для населения, проживающего в децентрализованных районах (горных зонах), в которых отсутствуют постоянные источники электроэнергии.
Основные результаты
В Северо-Кавказском Горно-Металлургическом Институте (Государственном Технологическом Университете) (СКГМИ (ГТУ)) разрабатываются устройства для преобразования как одного типа естественных энергетических потоков в удобную для дальнейшего использования [6], [7], [8], так и комплексные (многофункциональные) устройства, одновременно преобразующие энергию естественных энергетических потоков различных типов [9], [10], [ll], [12].
Разработанное д.т.н., профессором Ю.С. Петровым ветроколесо [6] позволяет получать вращение панелей в одну сторону, независимо от направления ветра, что является существенным для областей с изменяющимися параметрами вектора ветрового потока. Установка рассчитана на небольшие мощности и применение для энергоснабжения автономных малоэнергоёмких объектов, в частности, в горных условиях.
Изобретение, предложенное М.К. Хадиковым [7], отличается малыми габаритами и высокой эффективностью использования солнечных лучей в ограниченном объёме установки. Предполагается использовать в системе автономного энергоснабжения, в частности, объектов предгорных и высокогорных поселений.
Профессором И.Д. Алборовым и аспиранткой И.Ю.Зориной предложена конструкция солнечного коллектора [8], благодаря которой можно повысить эффективность тепловых преобразователей подобного типа примерно в 2 раза. Данная установка имеет широкий диапазон по производительности и может эксплуатироваться в условиях автономного энергоснабжения объектов различной мощности. Наиболее перспективно использование для энергоснабжения индивидуальных объектов высокогорья.
Серия полезных моделей [9], [10], [12] относится к установкам гибридного типа, использующим преобразование лучистой и ветровой энергии в электроснабжении одновременно. Одновременное преобразование естественных энергетических потоков различных типов (в данном случае - ветра и солнечных лучей) в электроснабжении, имеет ряд положительных качеств. Во-первых, увеличивается мощность установки; во-вторых, повышается надежность электроснабжения (постепенно исключается хотя бы один генерирующий поток); в-третьих, сокращается площадь,
занимаемая гибридной установкой по сравнению с общей площадью, которые занимали бы два участка в отдельности; также уменьшается экологическая нагрузка на окружающую среду (по сравнению с использованием каждого преобразователя отдельно).
В настоящее время в СКГМИ (ГТУ) под руководством профессора Петрова Ю.С. разрабатываются образцы автономных универсальных энергетических комплексов - УЭК, с целью их последующего использования в предгорных и высокогорных условиях.
Одним из существующих факторов, затрудняющих применение УЭК, является необходимость иметь накопитель энергии достаточной ёмкости. Роль накопителя - поглощать (запасать) избыток генерируемой энергии и компенсировать (при необходимости) её недостаток в системе потребления. Проблема создания накопителя энергокомплекса, полностью удовлетворяющего современным требованиям, пока не решена.
В СКГМИ (ГТУ) ведутся работы и в том направлении, в частности по созданию комплексного тепло-электрического накопителя, который по своим характеристикам, как показывают расчеты и эксперименты, вполне может удовлетворять требованиям УЭК средней мощности.
Все установки, разрабатываемые в СКГМИ (ГТУ), практического применения пока не нашли. Однако разработки находятся в поисках потенциальных инвесторов, готовых проинвестировать и профинансировать проекты в области возобновляемых источников энергии в условиях горных районов Республики Северная Осетия - Алания.
Заключение
Высокие темпы развития и продвижения установок на ВИЭ на энергорынке многих стран мира обусловлены государственной поддержкой, заботой об окружающей среде. В России пока такого внимания не уделяется.
Установки, использующие ВИЭ, не могут конкурировать с централизованными системами энергоснабжения. Однако для децентрализованных и рассредоточенных потребителей, особенно в отдалённых высокогорных поселениях, подобные установки, являются порой единственными источниками энергии. Использование энергии естественных энергетических потоков, циркулирующих в окружающем пространстве, в частности, на основе УЭК не только упростит энергоснабжение высокогорных районов, но и в значительной мере обеспечит экологическую устойчивость горного района.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Безруких П.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии // ТЭК, 2001, № 4. С. 31 -35.
2. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. М.: Наука и техника, 2014. - 320 с.
3. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: учебное пособие/Елистратов В.В. - СПб.: Изд-во Политехн. университета, 2008 - 224 с.
4. Васильев Ю.С. Возобновляемые источники энергии и гидроаккумулирование: учебное пособие/ Васильев Ю.С. Елистратов В.В. [и др.] - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 1995.
5. Велькин В.И. Методология расчёта комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах: монография. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015 - 226 с.
6. Петров Ю.С. Ветроколесо, патент № 2105190, опубликован 20.02.98 бюллетень № 5.
7. Хадиков М.К. Солнечная батарея, патент № 172079, опубликован 28.06.2017, бюллетень № 19
8. Алборов И.Д. Солнечный коллектор / И.Д. Алборов, И.Ю. Зорина, патент № 170208, опубликован 18.04.2017, бюллетень № 11
9. Петров Ю.С. Ветроэнергетическая установка / Ю.С. Петров, Ю.В. Саханский, И.Ю. Зорина, Г.В. Иликоев, патент № 148781, опубликован 20.12.2014 бюллетень № 35.
10. Петров Ю.С. Автономная электроэнергетическая установка / Ю.С. Петров, Ю.В. Саханский, И.Ю. Зорина, Г.В. Иликоев, патент № 158761, опубликован 20.01.2016, бюллетень № 2.
11. Петров Ю.С. Ветрогелиоустановка / Ю.С. Петров, М.К. Хадиков, А.А. Соколов, А.К. Музаев, патент № 188444, опубликован 12.04.2019, бюллетень № 11.
12. Петров Ю.С. Устройство автономного освещения дорожного разделительного барьера/ Ю.С. Петров, М.К. Хадиков, А.К. Музаев, патент № 196315, опубликован 25.02.2020, бюллетень № 6.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Bezrukov P.P. Netradicionnye vozobnovljaemye istochniki jenergii [Unconventional Renewable Energy Sources] //TEC, 2001, No. 4. Page 31 - 35. [in Russian]
2. Al'ternativnye istochniki jenergii i jenergosberezhenie [Alternative energy sources and energy conservation]. Moscow: Science and Technology, 2014. 320 p. [in Russian]
3. Elistratov V.V. Ispol'zovanie vozobnovljaemoj jenergii: uchebnoe posobie [Renewable Energy Use: Tutorial] / Elistratov V.V. - SPb.: Polytechnic University, 2008 - 224 p. [in Russian]
4. Vasil'ev Yu.S. Vozobnovljaemye istochniki jenergii i gidroakkumulirovanie: uchebnoe posobie [Renewable energy sources and hydroaccumulation: tutorial] / Vasilyev Y.S. Elistratov V.V. [et al] - SPb.: Polytechnic. un-that, 1995. [in Russian]
5. Velkin V.I. Metodologija raschjota kompleksnyh sistem VlJe dlja ispol'zovanija na avtonomnyh obektah: monografija [Methodology of calculation of complex renewable energy systems for use in autonomous facilities: monograph]. Yekaterinburg: UrFU, 2015 - 226 p. [in Russian]
6. Petrov Y.S. Vetrokoleso [Windrocoleso], Patent No. 2105190, published 20.02.98 Bulletin No. 5. [in Russian]
7. Khadikov M.K. Solnechnaja batareja [The solar battery], patent No. 172079, bulletin No. 19 is published 28.06.2017, [in Russian]
8. Alborov I.D. Solnechnyj kollektor [The solar collector] / I.D. Alborov, I.Ju. Zorina, patent No. 170208, is published 18.04.2017, bulletin No. 11 [in Russian]
9. Petrov Y.S., Vetrojenergeticheskaja ustanovka [Wind power plant] / Ju.S. Petrov, Ju.V. Sahanskij, I.Ju. Zorina, G.V. Ilikoev, patent № 148781, published 20.12.2014 bulletin № 35. [in Russian]
10. Petrov Y.S. Avtonomnaja jelektrojenergeticheskaja ustanovka [Autonomous electric power plant] / Ju.S. Petrov, Ju.V. Sahanskij, I.Ju. Zorina, G.V. Ilikoev, patent № 158761, published 20.01.2016, bulletin № 2. [in Russian]
11. Petrov Y.S. Vetrogelioustanovka [Vetrogelioustarka] / Ju.S. Petrov, M.K. Hadikov, A.A. Sokolov, A.K. Muzaev, patent № 188444, published 12.04.2019, bulletin № 11. [in Russian]
12. Petrov Y.S. Ustrojstvo avtonomnogo osveshhenija dorozhnogo razdelitel'nogo bar'era [Autonomous Lighting Device of Road Separation Barrier] / Ju.S. Petrov, M.K. Hadikov, A.K. Muzaev, Patent № 196315, published 25.02.2020, Bulletin № 6. [in Russian]
