Изучение технологии комбинированной возобновляемой энергетики

Как известно, нефтепромысловые участки, крестьянские хозяйства, отгонное животноводство и др. находятся в экстремальных условиях эксплуатации и коммунального обеспечения. Большинство из них значительно удалено от магистральных электрических сетей (ЛЭП) и систем теплоснабжения. Поэтому задача гарантийного стабильного автономного электрои теплоснабжения этих объектов стоит особенно остро.

Ранее было показано, что при правильном сочетании максимальных установленных мощностей гелио и ветроустановок суммарно вырабатываемая ими энергия может быть равна потребной мощности энергообеспечения хозяйственного объекта.

Безусловно, разработка и практическая реализация таких комбинированных систем автономного энергоснабжения принесет свои положительные результаты. Однако эти системы будут обладать одним весьма существенным недостатком. Существенным недостатком комбинированной гелиоветроэнергетической системы является то, что в ней не предусмотрена возможность бесперебойного гарантийного энергоснабжения потребителей при длительном отсутствии одного или обоих возобновляемых источников энергии. Например, при автономном энергоснабжении нефтепромысловых участков, расположенных в северных районах. При необходимости обеспечения повышенных нагрузок, а потребляемая мощность только одной буровой установки может колебаться от 800 до 5000 кВт, в подобных обстоятельствах накопленной аккумуляторными батареями энергии будет недостаточно.

Для того, чтобы устранить этот недостаток, разработана и запатентована гибридная комбинированная система автономного теплоэлектроснабжения, которая, помимо гелиои ветроустановок, имеет цепь резервного энергообеспечения.

Комбинированная гибридная система автономного энергоснабжения содержит ветрогенератор 1, преобразователь солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи) 2, выходы которых подключены через инвертор напряжения 3 и распределительное устройство 4 к нагрузке 5, ветрогенератор 1 и преобразователь солнечной энергии в электрическую 2 соединены с секциями аккумуляторных батарей (АКБ) 6 через блок заряда аккумуляторных батарей 7, вход управления которого подключен к выходу узла управления 8, Устройство подачи топлива 9 в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 10 и генератор переменного тока 11 образуют цепь резервного питания, вход которой подключен через инвертор 3 к узлу управления 8, а выход-через распределительное устройство 4-к нагрузке 5.

Устройство подачи топлива 9 содержит (не показаны) бак с топливом, аккумуляторную батарею, стартер, а для соблюдения экологичности сжигания (полное сгорание в ДВС и минимальное потребление топлива, минимальное содержание вредных выбросов в атмосферу) в устройстве подачи топлива содержится блок рекомбинации углеводородного топлива кислородом Устройство подачи топлива 9 содержит (не показаны) бак с топливом, аккумуляторную батарею, стартер, а для соблюдения экологичности сжигания (полное сгорание в ДВС и минимальное потребление топлива, минимальное содержание вредных выбросов в атмосферу) в устройстве подачи топлива содержится блок рекомбинации углеводородного топлива кислородом. При длительном отсутствии ветра или солнца, или обоих возобновляемых источников энергии, потребности в электрической и тепловой энергии обеспечиваются работой электрогенератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Ветрогенератор 1, преобразователь солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи) 2, инвертор напряжения 3, распределительное устройство 4, нагрузка 5, аккумуляторные батареи (АКБ) 6,7 выход узла управления 8, устройство подачи топлива 9, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 10, генератор переменного тока 11.

Рисунок 5 — Комбинированная гибридная система автономного энергосбережения Примечание — Источник (19).

Новый положительный результат нашего предложения достигается тем, что комбинированная гибридная система автономного энергоснабжения, содержащая ветрогенератор, преобразователь солнечной энергию в электрическую, аккумуляторные батареи, выходы которых подключены через инвертор напряжения и распределительное устройство к нагрузке, ветрогенератор и преобразователь солнечной энергии в электрическую соединены с секциями аккумуляторных батарей через блок заряда аккумуляторных батарей, вход управления которого подключен к выходу узла управления, дополнительно содержит устройство подачи топлива, двигатель внутреннего сгорания и генератор переменного тока, образующие цепь резервного питания, вход которой подключен через инвертор к узлу управления, а выход-через распределительное устройство-к нагрузке.

Комбинированная гибридная система автономного энергоснабжения работает следующим образом.

В зависимости от погодных условий блок заряда АКБ обеспечивает зарядку АКБ от ветрогенератора при наличии ветра, или от элементов преобразователя солнечной энергии в электрическую, либо одновременно.

Инвертор обеспечивает преобразование постоянного напряжения батареи АКБ в переменное напряжение 380 V. При подаче команды на включение резервной цепи питания устройство подачи топлива запускает двигатель внутреннего сгорания, приводящий во вращение вал генератора переменного тока.

Распределительное устройство обеспечивает необходимые параметры подключения соответствующего потребителя к электропитанию. Такими необходимыми параметрами подключения могут являться, например, ток потребления или время подключения.

Отличительной особенностью предложенной разработки от известных является наличие в цепочке подачи топлива (бак с топливом, насос, стартер) содержится разработанный нами блок рекомбинации углеводородного топлива кислородом.

Блок рекомбинации топлива путем его насыщения кислородом (до безопасного содержания) осуществляет ультразвуковую газодинамическую (УГД) активацию горючего, что обеспечивает раннее его воспламенение, интенсивность и полное сгорание, существенную экономию топлива, увеличение КПД и мощности двигателя на 10−20% в виду отсутствия нагаров и полной продувки цилиндров двигателя от сгоревших газов, сокращения выбросов и токсичности продуктов сгорания.

Системы энергоснабжения, как теплоснабжения, так и электроснабжения имеют устройства управления и приборы учета, что позволяет использовать различные варианты энергоснабжения и контролировать расход энергоносителей.

На теплицу с комбинированной системой энергоснабжения был выполнен рабочий проект в полном объеме. Для выполнения проекта привлекалось на субподрядной основе ТОО «Камила», имеющее лицензию на проектирование промышленных и гражданских объектов и лицензию на строительство таких объектов. Рабочий проект содержит все необходимые разделы согласно ЕСКД, строительная часть, технологическая часть, электроснабжение, водоснабжение и канализация, смета. Техническая документация по проекту представлен в виде отдельного приложения.

Выше было показано выполнение теплицы как потребителя энергии, а также системы энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых и коммерческих источников энергии. Эффективность использования возобновляемых источников энергии была рассмотрена на основании ниже приведенных расчетов, выполненных для расчетного модуля теплицы.

В результате экспертных оценок получены следующие экономические показатели (в тенге).

• 1. Теловой жидкостный аккумулятор -2 880 000;
• 2. Строительные конструкции помещения — 864 000;
• 3. Водонагревательные коллекторы — 1 700 000;.
• 4. Трубопроводы, арматура, теплообменники — 300 000;
• 5. Отопительные приборы 50 000;
• 6. Фотоэлектрические панели — 2 000 000;
• 7. Аккумуляторы химические — 530 000;
• 8. Инвертор, система регулирования — 100 000;
• 9. Тепловой насос — 2 000 000;
• 10. Ветроэнергетическая установка 450 000;
• 11. Система капельного полива 450 000;
• 12. Почва для выращивания 100 000;
• 13. Проектные работы (5% от стоимости) 1 000 000;
• 14. Налоги на землю, на прибыль и т. п. 2 000 000.

ВСЕГО 14 424 000 тенге.

В расчете на 1 м² площади выращивания продукции 86 278 тенге/м2.

За год две теплицы обеспечат сбор

50 кг/м2×144 м2×4 урожая = 28 800 кг/год.

При рыночной стоимости (оптовая цена при сдаче в магазин) 250 тенге/кг, получим валовый доход.

28 800 кг/год х 250 тенге/кг = 7 200 000 тенге/год.

Годовые операционные затраты — 1 422 134 тенге Годовая прибыль.

7 200 000 тенге/год — 1 422 134 тенге/год = 5 777 866тенге/год.

Срок окупаемости затрат на строительство.

14 424 000 тенге / 5 777 866 тенге/год = 2,5 года.