Комбинированная система использования традиционных и нетрадиционных источников энергии

Общие вопросы применения технологий комбинированной возобновляемой энергетики

Казахстан обладает большим потенциалом возобновляемых источников энергии, таких как ветровые потоки, солнечное излучение и др. В связи с географическими и климатическими условиями, континентальным климатом круглогодичное энергоснабжение автономных потребителей энергии только от возобновляемых источников энергии проблематично.

На основании этого разработана технология комбинированного энергоснабжения, основанная на применении возобновляемых источников энергии разных типов, а также коммерческих источников энергии. Разработано несколько вариантов энергетических устройств на основе принципа комбинированного использования различных источников энергии.

В качестве опытного объекта, на котором производилась отработка технологии комбинированной системы, энергоснабжения, принята теплица для выращивания плодоовощной продукции. Комбинированная система энергоснабжения для отопления и электроснабжения использует энергию солнца, ветра и при их недостатке коммерческие энергоносители, как природный газ, жидкое топливо или электроэнергию от централизованной сети. В теплице максимально использованы принципы энергосбережения в виде грунтового аккумулирования энергии и аккумулятора тепловой энергии, системы рекуперации тепла на основе жидкостной системы, химические аккумуляторы электроэнергии.

Ветер и солнце могут отлично дополнять друг друга: зимой, когда часто дует ветер, комбинированные системы «ветер-солнце» могут, например, отапливать помещения, а летом, когда в избытке солнечной энергии — нагревать воду. Подобные гибридные системы особенно привлекательны для автономного электроснабжения. Эти системы представляют собой самообеспечивающие станции, не присоединенные к единой энергосистеме. Производительность фотоэлектрической батареи достаточно высокая летом и относительно низкая зимой. Это означает, что для годового энергообеспечения работа автономной солнечной батареи будет характеризоваться перепроизводством летом, и к тому же необходимо организовать хранение выработанной энергии. Однако, оба эти решения являются очень дорогостоящими. В свою очередь, обеспечение электроэнергией, выработанной за счет энергии ветра, в летнее время является проблематичным из-за частых безветренных дней. Поэтому преимущества гибридной системы «ветер-солнце» становится очевидным. Прогноз энергетического районирования территории Казахстана по суммарным потенциалам солнечной, ветровой и горно-речной энергии показывает (рисунок 1), что наиболее перспективны по использованию возобновляемой энергии горные районы РК, где наблюдается максимум поступления гелиоэнергии (до 1 кВт/м2 и более) в течении 3000 — 3500 час за год, постоянный «верховой» ветер со скоростью 15 — 25 м/с и текут высокогорные реки с уклоном русел до 10 — 20 0. Здесь рентабельность ГЭС достигает R= 50 — 100%.

С — солнечные, В — ветровые, Г — гидравлические, Т — термические, Б — биогазовые, А — атомные подземные, Ак — аккумуляторы тепловые, Кр — криогенные, Ф — фотогенераторы, К — комплексы комбинированные; С — себестоимость на выходе, цент/кВт-ч, R — рентабельность (%), Р — максимальная мощность (МВт) Рисунок 1. Диаграмма эффективности комбинированных энергокомплексов Примечание — Источник (17).

Если производимая энергия меньше потребляемой, тогда недостающая энергия подается дополнительно от аккумуляторов. На рисунках 2 и 3 приведены диаграммы солнечной энергии, производимой модулями и ветрогенератором.

В последнее время все более широко применяются комбинированные дизель-ветровые или дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки, использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить органическое топливо.

В соответствии с этим необходим анализ возможности создания автономных энергоустановок, работающих на возобновляемых источниках энергии, среди которых солнечная и ветровая энергия является наиболее универсальной и повсеместно доступной.

Рассматривается установка, которая может эксплуатироваться круглогодично. Автоматический комплекс дает возможность снабжения электроэнергией (экономия топливного ресурса) и снижения суточного расхода электроэнергии путем дополнительного использования аккумуляторных батарей, зарядного устройства и инвертора напряжения. Таким образом, для снабжения электроэнергией с нестабильной электросетью или вовсе без таковой предпочтительным становится использование установок со следующими достоинствами:

• — высокая эффективность работы;
• — автоматическое слежение за состоянием централизованного электроснабжения и бесперебойная подача энергии в случае отключения или полного ее отсутствия;
• — высокое качество электричества без всплесков напряжения, помех, стабильное напряжение и частота;
• — возможность совместной работы с любым из генераторов, использующих возобновляемые источники энергии (ветрогенератор или солнечные батареи).

Главными достоинствами предлагаемых систем являются низкая себестоимость при эксплуатации и обслуживания в сравнении с традиционными системами производства энергии (генераторы), а также удобство при установке.

Рассмотрим возможный вариант комбинированного использования различных источников энергии.

Гибридная солнечная установка с применением ветрогенераторов и аккумуляторных батарей обеспечивает производство потребляемой электроэнергии 6450 Вт в месяц. В случае же изменения погодных условий (отсутствия солнечного излучения и ветрового потока) благодаря блоку аккумуляторных батарей установка обеспечивает подачу требуемой электроэнергии на протяжении 24 ч.

Принцип работы системы следующий:

Работа через фотоэлектрические модули, ветрогенераторную установку. Энергия производится от фотоэлектрических модулей, ветрогенератора и подается через инвертор. Если производимая солнечная энергия больше потребляемой, тогда лишняя энергия накапливается в аккумуляторных батареях до полной их зарядки, затем процесс автоматически прекращается.

Как видно из диаграммы (рисунок 2) производство солнечной энергии с февраля по сентябрь полностью обеспечивает потребности потребителя.

Рисунок 2 — Производство солнечной энергии Примечание — Источник (17).

Рисунок 3 — Производство электроэнергии ветрогенератором.

Примечание — Источник (17).

Согласно рисунку 3 недостающее количество солнечной электроэнергии восполняется энергией, вырабатываемой ветрогенератором.

На рисунке 4 показано отношение производимой солнечной и ветровой энергии к требуемой.

Рисунок 4 — Соотношение требуемой и производимой солнечной и ветровой энергии Примечание — Источник (17).

В Казахстане выделены средства на развитие агропромышленного комплекса национальному холдингу «КазАгро» в размере 1 млрд. долларов.

Финансирование дает возможность создание новых производств, а также расширение и модернизацию уже действующих в стране сети птицефабрик, тепличных хозяйств, овощехранилищ. При этом необходимо будет использовать современные технологии, гарантировать рентабельность и окупаемость проектов и особое внимание уделить экологической безопасности.

Круглогодичное выращивание овощей в теплицах по ассортименту также должны отвечать вкусам и потребностям проживающего на конкретном участке населения. Причем, способы выращивания и используемая для этого техника для наземных и этажных теплиц должны существенно отличаться.

Так, при грунтовом выращивании овощей на местной почве удобренной дополнительно биоуглем, торфом, сапропелем, навозом и другими компонентами с использованием капельного полива можно выращивать не только овощи, ягоды, цветы, но и плодовые кустарники, и деревья, в том числе и вечнозеленые.

В связи с начавшимся в 2007 г. кризисом удельного производства продуктов питания, особую значимость приобретают новые перспективные технологии сельскохозяйственного производства с активным использованием возобновляемой энергии при получении нескольких урожаев в год.

Такие технологии должны обеспечиваться круглогодичным энергоснабжением за счет энергии солнца и ветра, чтобы снабжение населения овощами и фруктами, ягодами, грибами, рыбой и мясомолочными продуктами, а также биотопливом осуществлялось при отсутствии загрязнения атмосферы, воды и земли. Они могут быть реализованы в агрокомплексах на широтах от 0 до 45 0 северных и южных широт на плодородных землях, в пустынях и горах, т. е. практически на 20 — 30% суши и в перспективе на 10 — 15% водных просторах (шельфах) Земли.

Следовательно такие агрокомплексы, производящие в год в 3 — 5 раз больше продуктов питания с 1 гектара, чем традиционные, сезонные сельскохозяйственные технологии, позволят обеспечить население Земли основными продуктами питания.