close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Клочков Дмитрий Евгеньевич. Разработка автономных систем энергоснабжения для малых населенных пунктов центрального региона России

код для вставки
129
130
131
УДК: 621.311.26
Аннотация
В магистерской диссертации были рассмотрены вопросы организации
автономного энергоснабжения удаленных потребителей Центрального региона
России от независимых источников энергии. Был определен основной состав и
режимы работы электроприемников данного потребителя, а также рассчитано
необходимое годовое потребление электрической и тепловой энергии. В результате
комплексного анализа источников автономного энергоснабжения удаленных
потребителей Центрального региона России и существующих климатических и
географических условий обозначены основные достоинства и недостатки
использования
различных
источников
автономного
энергоснабжения.
Для
выбранной по результатам анализа системы проведены технико-экономический
расчет срока окупаемости, а также моделирование годового графика выработки
тепловой и электрической энергии на основании метеорологических данных о
температуре и скорости ветра. Была разработана и рассчитана ветрогенераторная
установка и проведено технико-экономическое сравнение с существующим на
рынке аналогом.
Стр. 122, рис. 34, табл. 6, библ. 60 наименований.
132
UDC:621.311.26
Annotation
In the master's thesis the questions of the organization of Autonomous power supply
of remote consumers of the Central region of Russia from independent energy sources
were considered. The basic composition and operating modes of the electric receivers of
this consumer were determined, as well as the necessary annual consumption of electric
and thermal energy was calculated. As a result of a comprehensive analysis of the sources
of Autonomous power supply to remote consumers of the Central region of Russia and the
existing climatic and geographical conditions, the main advantages and disadvantages of
using various sources of Autonomous power supply are identified. Technical and
economic calculation of payback period, as well as modeling of the annual schedule of
heat and electricity generation on the basis of meteorological data on temperature and wind
speed were carried out for the system chosen on the basis of the analysis results. A wind
turbine was developed and calculated and a technical and economic comparison with the
existing
analogue
on
the
market was carried out.
Page. 122, Fig. 34, table. 6, Bibl. 60 names.
133
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 10
1. Анализ развития автономного энергоснабжения удаленных
потребителей центрального региона России от нетрадиционных
источников энергии............................................................................................ 14
1.1 Анализ источников автономного энергоснабжения ................................... 14
1.2 Проблемы и перспективы развития нетрадиционной
энергетики в центральной части России ........................................................... 15
1.3 Оценка потенциала и направления его
использования для автономного электроснабжения ........................................ 18
1.4 Виды возобновляемых источников энергии
и особенности электростанций, действующих на них ...................................... 19
1.4.1 Ветряная энергетика .................................................................................. 19
1.4.2 Солнечная энергетика................................................................................ 27
1.4.3 Малая гидроэлектроэнергетика ................................................................ 32
1.4.4 Электростанции, работающие на горючем топливе ................................. 34
1.5 Ретроспективный анализ международного опыта по
развитию автономных локальных энергосистем .............................................. 39
2. Анализ источников автономного энергоснабжения ..................................... 41
2.1 Основные требования, предъявляемые к автономным
системам энергоснабжения, в том числе с нетрадиционными
источниками электрической энергии ................................................................ 41
2.2 Сравнительный анализ устройства, технических характеристик
и условий эксплуатации основных видов альтернативных источников
энергии рекомендуемых для автономного энергоснабжения .......................... 45
2.3 Солнечные электростанции ......................................................................... 48
2.3.1 Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов .......................... 48
2.3.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую
с помощью тепловых машин .............................................................................. 53
7
2.4 Ветряные электростанции ............................................................................ 58
2.4.1 С горизонтальной осью вращения ............................................................ 59
2.4.2 С вертикальной осью вращения ................................................................ 61
2.5 Микрогидроэлектростанции ........................................................................ 63
2.5.1 Деривационные микрогидроэлектростанции ........................................... 63
2.5.2 Свободнопоточные микрогидроэлектростанции ..................................... 65
2.5.3 Гирляндные микрогидроэлектростанции ................................................. 67
2.6 Электростанции, работающие на местном топливе .................................... 68
2.6.1 Твердотопливные электростанции ........................................................... 69
2.6.2 Электростанции на биогазе ....................................................................... 72
2.7 Выводы.......................................................................................................... 75
3. Патентный поиск ............................................................................................ 76
3.1 Проведение
анализа
патентов,
направленных
на
разработку технических решений по созданию автономных
систем энергоснабжения, содержащих нетрадиционные источники
электроэнергии для нужд малых населенных пунктов центрального
региона России ................................................................................................... 76
3.2 Исследование
теоретической
возможности
использования
системы автономного электроснабжения с ветряной электростанцей
высотного базирования с ветрогенератором с вертикальной осью
вращения и энергопроизводящей печи длительного горения
«Вартовчанка» для организации автономного энергоснабжения
удаленных потребителей центральных регионов России ................................ 93
3.3 Оценка рациональности выбранной системы .............................................. 95
4.
Проектирование и разработка ветрогенераторной электростанции ....... 97
4.1 Расчет генератора для ветроэлектростанции высотного базирования ....... 97
4.2 Определение главных размеров ................................................................... 97
4.3 Расчет постоянных магнитов и геометрических размеров ротора ............ 99
4.4 Расчет обмотки и магнитопровода статора ............................................... 102
8
4.5 Размер зубцовой зоны статора ................................................................... 104
4.6 Определение массы, потерь и КПД генератора ......................................... 108
4.7 Расчет ветротурбинной установки для ветроэлектростанции
высотного базирования .................................................................................... 111
4.8 Анализ
технических
характеристик
разработанного
ветрогенератора ................................................................................................ 113
4.9 Оценочный расчет стоимости разработанной системы ............................ 115
4.10 Технико-экономическое сравнение разработанной системы с
существующим аналогом................................................................................. 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 120
Список литературы…....................................................................................... 122
9
ВВЕДЕНИЕ
Проблематика и актуальность. Россия занимает первое место в мире
по занимаемой площади, на которой разбросано огромное количество
населенных пунктов различных размеров. Но, несмотря на довольно развитое
производство электроэнергии остается проблема ее передачи для малых
населенных
пунктов,
находящихся
на
достаточном
удалении
от
энергетических магистралей. Поэтому в качестве возможного решения
возникает вопрос об организации автономного энергоснабжения удаленных
потребителей. Проблема эта многоплановая и включает комплекс задач,
каждая из которых имеет большое значение при решении вопросов
энергоснабжения и энергосбережения. Прежде всего, это задача верного
выбора одного из или нескольких автономных источников энергоснабжения,
установление
режимов
работы
оборудования
потребителей,
подбор
необходимого генерирующего оборудования и др.
Затраты энергоресурсов на обеспечение частных домов и хозяйств в
России
намного превышают энергопотребление многих аналогичных
зарубежных потребителей в первую очередь из-за малого развития и
распространения генерирующих и энергосберегающих технологий и во
вторую очередь из-за сурового климата нашей страны. Данные обстоятельства
диктуют необходимость существенных преобразований в структуре и
технологии
производства
и
максимального
снижения
потребления
энергоресурсов.
Цели исследования. В России существует большое количество
различных климатических и природных зон, которые различаются большим
числом параметров таких как среднесуточная скорость ветра, количество
солнечных дней в году, температура, характер местности, наличие или
отсутствие рек и растительного покрова. Это приводит к тому, что выбор
способа генерации электрической и тепловой энергии оказывается слишком
ориентировочным и слабо связан со спецификой местности и погодных
10
условий в месте установки генерирующего оборудования, что сказывается на
увеличении
количества
и
закупаемого
оборудования,
увеличении
капиталовложений в его обслуживании, что увеличивает срок окупаемости и
уменьшает экономическую выгоду.
Для выработки и принятия технически верных и экономически
обоснованных решений по организации автономного энергоснабжения
удаленных потребителей необходимо решение следующих задач:
1.
Анализ
факторов
влияющих
на
выработку
тепловой
и
электрической энергии автономными источниками.
2.
Анализ видов и способов выработки тепловой и электрической
энергии автономными источниками.
3.
Оптимальный
выбор
автономных
источников
тепловой
и
электрической энергии в зависимости от характеристик окружающей
местности, климатических условий и мощности потребителей.
4.
Наличие и доступность на рынке существующих источников
автономного энергоснабжения, отвечающих заданным критериям.
5.
Исследование научной и патентной базы в области создания и
эксплуатации источников автономного энергоснабжения с целью разработки
источников тепловой и электрической энергии с необходимыми критериями.
6.
приводного
Разработка автономного источника электрической энергии и
механизма
имеющих
наибольшую
эффективность
при
эксплуатации их в Центральном регионе России.
7.
Технико-экономическая оценка разработанных решений по
сравнению с существующими на рынке моделями.
Методика
исследования.
При
решении
поставленных
задач
использовались методы статистической обработки информации, теории
моделирования, а также электротехнических расчетов в сочетании с
нормативно-правовыми
документами,
регулирующими
электроэнергетическую отрасль.
Научная новизна в работе :
11
Рассмотрен ряд вопросов, способствующих эффективному и
1.
рациональному
выбору
автономных
источников
электроснабжения
в
зависимости от географических и климатических характеристик местности.
Произведена оценка потенциала использования автономных
2.
источников
энергоснабжения
для
удаленных
потребителей
на
базе
Центрального региона России.
Предложен способ повышения эффективности и бесперебойности
3.
выработки
электроэнергии
с
помощью
установки
рассчитанного
ветрогенератора с ветротурбиной на воздушный шар.
Практическая ценность и реализация работы. Обобщенный материал
по критериям, влияющим на выбор источника автономного энергоснабжения
позволяет более точно подобрать необходимое потребителю генерирующее
оборудование.
Применение
разработанной
в
четвертой
главе
ветрогенераторной установки позволит сократить стоимость 1 кВт/ч
электроэнергии.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и
рекомендаций подтверждается:
Корректным
использованием
основных
положений
теории
моделирования. Применением проверенных методик анализа статистических
данных.
Применением
проверенных
теорий
и
расчетов
в
области
электротехники и аэродинамики. Учетом действующих нормативно-правовых
документов в области электроэнергетики.
Апробация работы. По теме магистерской диссертационной работы
опубликовано 2 печатные работы, отдельные результаты докладывались на
двух
студенческих
научно-практических
конференциях
Орловского
государственного университета им. И.С. Тургенева.
По структуре работа состоит из введения четырех глав основной части,
заключения и библиографического списка.
Первая глава посвящена рассмотрению проблем и перспектив развития
автономных источников энергоснабжения для удаленных потребителей.
12
Рассмотрен зарубежный опыт использования подобных систем, произведена
оценка потенциала развития малой автономной электроэнергетики для
Центрального региона России.
Во второй главе произведен анализ возможных потребителей,
рассчитана присоединяемая мощность. Выполнены описание и сравнительный
анализ различных источников автономного энергоснабжения и произведен
выбор вида генерирующего устройства для условий Глазуновского района
Орловской области.
В третьей главе произведен патентный поиск, на основании которого
предложены
конкретные
устройства
для
организации
автономного
энергоснабжения удаленного потребителя для вышеуказанной местности.
Произведен расчет потенциала выработки энергетических ресурсов в течении
года с использованием данных источников.
В четвертой главе представлен расчет предлагаемого для использования
в Глазуновском районе Орловской области ветрогенератора и ветротурбины.
Также
приведено
техническое
и
технико-экономическое
сравнение
характеристик разработанной ветроустановки с существующими аналогами.
В заключении представлены основные результаты и выводы по
магистерской диссертационной работе.
В конце приведен библиографический список работ использованных
при написании диссертации.
13
1. Анализ
развития
автономного
энергоснабжения
удаленных
потребителей центрального региона России от автономных источников
энергии
1.1 Анализ источников автономного энергоснабжения
Существуют
несколько
типов
источников
автономного
электроснабжения, различающихся по способу получения энергии. Эти
источники можно условно разделить на источники электроснабжения,
работающие от энергии ветра, источники, работающие от солнечной энергии,
источники, работающие от энергии воды, источники, работающие от энергии
сгорания топлива. На данный момент большая часть источников автономного
электроснабжения, используемых в России, относятся к последней группе. К
группе источников автономного электроснабжения, работающих от энергии
ветра, относятся ветроэлектростанции, приводимые движением потоков
воздуха. Источниками электроснабжения, работающими от солнечной
энергии,
являются
солнечные
электростанции,
производящие
непосредственно электроэнергию, и солнечные коллекторы, используемые
для нагрева воды, которая используется как для обогрева помещения, так и для
привода электрогенераторов. Источники автономного электроснабжения,
использующие энергию воды, составляют одну из крупных групп. К ним
относятся мини гидроэлектростанции, приливные электростанции, волновые
электростанции,
аэрогидроэлектростанции
а
также
геотермальные
электростанции. Данные электростанции преобразуют движение воды в
механическую энергию вращения вала, соединенного с ротором генератора.
Последняя группа источников автономного электроснабжения наиболее
развита в России. Принцип работы всех электростанций данного типа
одинаков и основан на работе двигателя внутреннего сгорания, крутящего вал
генератора электростанции. Отличия состоят в выборе различных видов
горючего. Различают автономные электростанции, работающие на газу,
твердом и жидком топливе. В качестве газа чаще всего используют природный
14
газ или биогаз. Жидкое топливо представлено мазутом, дизельным топливом
и
бензином.
Электростанции
на
данном
типе
топлива
наиболее
распространены, однако необходимость постоянного хранения большого его
количества, а также его стоимость, накладывают ограничения на постоянное
использование таких электростанций. Электростанции на твердом топливе
используют в качестве горючего дрова, древесный уголь, отходы древесного
производства, торф, а также другие твердые горючие материалы.
1.2 Проблемы и перспективы развития нетрадиционной энергетики в
центральной части России
Несмотря на развитость электроэнергетической системы России,
проблема энергообеспечения остается одной из важнейших в настоящее
время. Главным образом данная проблема касается электроснабжения
объектов, находящихся в отдаленных районах, для которых установить связь
с существующей энергосетью посредством линий электропередач не
представляется возможным или нерентабельно. Для электроснабжения таких
объектов возможно применение нетрадиционных автономных источников
электроэнергии, однако существует ряд проблем для каждого типа таких
источников, связанных с их применением на территории центрального
региона России.
Для оценки перспектив применения каждого источника необходимо
произвести анализ проблем, связанных с их приобретением, установкой и
эксплуатацией.
Перспективы развития ветряной энергетики в центральной России
достаточно
малы
электроэнергии.
учитывая
Первой
определенные
особенностью
особенности
является
получения
недостаточная
и
непостоянная скорость ветра. В большинстве регионов центральной России
среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с [1], в связи с чем привычные
ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы
— их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с [1], и получить от
15
их работы существенное количество энергии не удастся. Однако возможно
сочетание в одном устройстве генераторов двух видов — вертикального
ветрогенератора и солнечных батарей. Дополняя друг друга, совместно они
гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на
любых территориях и в любых климатических условиях. Но данное
техническое мероприятие ведет к удорожанию проекта в целом. Наиболее
прогрессивная технология — роторные установки, или ветрогенераторы с
вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что
вертикальному генератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать
электричество [1]. Развитие этого направления снимает ограничения по
использованию энергии ветра в целях электроснабжения.
Что касается солнечной энергетики, в настоящее время Россия обладает
передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в
электрическую. Существует ряд предприятий и организаций, которые
разработали
и
совершенствуют
технологии
фотоэлектрических
преобразователей: как на кремниевых, так и на многопереходных структурах.
Есть ряд разработок использования концентрирующих систем для солнечных
электростанций. Однако существует ряд проблем, связанных с установкой и
эксплуатацией данного типа автономного источника электроснабжения в
Центральной России. Такими проблемами являются количество солнечных
дней в году и количество солнечной радиации на единицу площади. Из-за
малых значений этих параметров возникает необходимость установки
большего числа солнечных батарей или дополнительного источника
электроснабжения для питания потребителей в пасмурные дни.
Меньше всего проблем и больше всего перспектив развития характерно
для малой гидроэнергетики. Учитывая количество рек и ручьев, протекающих
по территории Центральной России, можно сказать о больших перспективах
развития
данной
отрасли
автономной
альтернативной
энергетики.
Современные мини гидроэлектростанции способны вырабатывать порядка 10
кВт электрической энергии, находясь в реке на глубине 1 м при скорости
16
течения 2 м/с [2]. Такого количества электроэнергии хватит на то, чтобы
обеспечить электроэнергией небольшой дом и хозяйство. Также данный
источник автономного электроснабжения обладает такими свойствами как
небольшие габаритные размеры, простота подключения и эксплуатации,
независимость от погоды и времени года из-за нахождения генератора ниже
глубины промерзания реки, стоимость самой мини ГЭС.
Основной проблемой использования мини ГЭС в Центральной России
является отсутствие сервисных организаций, которые могут заниматься
обслуживанием и ремонтом данных установок, из-за чего потребители могут
на длительный срок остаться без электроэнергии.
Для развития альтернативной энергетики в целом в России создаются
законодательные механизмы поддержки использования ВИЭ определенные
Федеральным законом от 4 ноября 2007 г. № 250-ФЗ, который внес
дополнения и изменения в ФЗ от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об
электроэнергетике».
В соответствии с основными направлениями государственной политики
в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на
основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на период
до 2020 г. (утверждены Распоряжением Правительства РФ от 8 января 2009 г.),
целевым
ориентиром
является
увеличение
относительного
объема
производства электроэнергии генераторами, использующими ВИЭ с 0,5 до 4,5
%.
Для достижения данного целевого показателя необходимо в указанном
периоде
обеспечить
ветроэлектрических
ввод
генерирующих
станций;
приливных,
объектов
(малых
геотермальных,
ГЭС;
тепловых
использующих биомассу в качестве одного из топлив; прочих видов
электроустановок) суммарной мощностью 25 ГВт. По различным оценкам при
принятии государственной программы поддержки ВИЭ целевые показатели
общей установленной мощности ВЭУ в России к 2020 г. могут составить
8
-10 ГВт [3].
17
1.3 Оценка потенциала и направления его использования для
автономного электроснабжения
Для осуществления верного выбора возобновляемого источника
автономного
энергоснабжения
необходимо
оценить
энергетический
потенциал местности, в которой предстоит использовать такой источник.
Распределение видов нетрадиционных источников энергоснабжения по
территории центральной России неравномерно, однако они часто дополняют
друг друга. Регионы центральной России имеют потенциал от выработки
энергии из нетрадиционных возобновляемых источников энергии равный 6,9
миллионов тонн удельного топлива в год [4]. В данной цифре учитываются
возможности получения энергии из энергии биомассы, солнца, ветра и малой
гидроэнергетики. Например, потенциал ветровой энергии составляет 200
ТВт•час/год, при среднегодовой скорости ветра в данном регионе 4 м/с [5].
Потенциал солнечной энергетики зависит от солнечной радиации, на
значение которой влияет широта местности. По мере удаления от экватора и
приближения к полюсам значение солнечной радиации уменьшается. Для
регионов центральной России значения солнечной радиации составляют 8001000 Вт·час/м2 [5]. Из-за этого использование солнечных батарей для
автономного электроснабжения неэффективно.
Потенциал использования биоэнергетики в центральной части России
достаточно высок. Не смотря на малое количество древесных ресурсов по
сравнению с регионами севера или Сибири, центральная часть России
обладает большими ресурсами сельскохозяйственных отходов. Данные
отходы могут быть использованы как сырье для получения биотоплива в
специальных хранилищах. Согласно данным шведской организации NUTEK,
потенциал европейской части России в данном направлении составляет 58
ТВт•час/год.
Наибольшим потенциалом среди альтернативных возобновляемых
источников энергии обладает малая гидроэнергетика. Размер
18
гидротехнического
потенциала
центральной
части
России
составлят
229 ТВт•час/год [4]. Из этого количества на долю малой энергетики
приходится 25,4 %, что составляет 58,2 ТВт•час/год [5].
Центральная
часть
России
обладает
большими
запасами
возобновляемых альтернативных источников энергии. В ходе оценки, было
выяснено,
что
наиболее
перспективными
источниками
автономного
электроснабжения для данного региона являются ветровая энергетика,
биотопливная энергетика и малая гидроэнергетика. Данные системы
автономного электроснабжения наиболее применимы для удаленных сельских
потребителей.
1.4 Виды возобновляемых источников энергии и особенности
электростанций, действующих на них
1.4.1 Ветряная энергетика
Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на
преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в
электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии,
удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование
может
осуществляться
такими
агрегатами, как ветрогенератор, для
получения электрической энергии. Энергию ветра относят к возобновляемым
видам энергии, так как она является следствием активности Солнца.
Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью.
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более
мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В
отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема,
повсеместно доступна и более экологична. Однако сооружение ветряных
электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и
экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики.
19
Например, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при
небольшой
пропорции
ветроэнергетики
в
общем
производстве
электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и
проблемы надёжности производства электроэнергии.
Для небольшого загородного дома при наличии среднегодовой скорости
ветра более 4 м/с достаточно ветроустановки (ВЭС) мощностью:
- Около 500 Вт для покрытия базовых потребностей в электроэнергии освещение, телевизор, связь, радио, другая маломощная нагузка;
- От 1,5 до 5 кВт для электроснабжения почти полностью потребителей
в типовом загородном доме, включая стиральную машину, холодильник,
компьютеры и т.п. В периоды сильного и продолжительного ветра излишки
вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления
помещений.
Устройство любого ветрогенератора (рисунок 1) включает в себя:
— генератор, который вырабатывает переменный ток, и в дальнейшем
преобразуется в постоянное напряжение, предназначенное для зарядки
аккумуляторов, от скорости ветра зависит и мощность генератора;
— лопасти, предназначены для передачи вращения к валу генератора
через редукторы и стабилизаторы скорости вращения ротора генератора;
— мачта ветряка должна иметь достаточную высоту, чем выше
находятся лопасти, тем больше они получат энергии ветра, также в устройство
ветрогенератора входят;
—
контроллер,
необходимый
для
преобразования
переменного
напряжения идущего с генератора, в постоянное напряжение и последующей
зарядкой аккумуляторов, контроллер управляет поворотом лопастей, и
контролируют направление ветра;
— аккумуляторы накапливают электроэнергию, чтобы использовать ее
при небольшом ветре или его отсутствии, батарея также хорошо
стабилизирует электроэнергию, полученную от генератора;
— датчик направления ветра помогает лопастям «поймать» ветер;
20
— АВР представляет собой устройство автоматического переключения
между ветрогенератором и другими источниками электроэнергии, например
электросетью, генератором, солнечными панелями;
— инвертор предназначен для преобразования постоянного тока,
поступающего с аккумуляторов, в переменное напряжение для домашней
электросети.
Инверторы могут разделяться по типу синусоиды для разных
потребителей электроэнергии. Инвертор модифицированной синусоиды на
выходе
выдает
квадратную
синусоиду,
предназначенную
для
не
требовательных потребителей к качеству сети – это тэны, накальные лампы
освещения. Инверторы с чистой синусоидой по качеству выходного
напряжения подходят даже для самых требовательных потребителей
электроэнергии. Инверторы трехфазного напряжения предназначены для
трехфазных сетей. Сетевой инвертор работает без аккумулятора и способен к
выводу электроэнергии в общую сеть.
Рисунок 1 – Устройство ветрогенератора с горизонтальной осью
вращения
Различают следующие виды ветрогенераторов:
- ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения (рисунок 1);
- ветрогенераторы с вертикальной осью вращения (рисунок 2).
21
Принцип
работы
ветрогенератора
основан
на
преобразовании
кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора.
Принцип
работы
горизонтального
ветрогенератора
(рисунок
1)
следующий: вращения ротора генератора происходит под действием
подъемной силы, возникающей при обтекании ветром лопастей. При этом
генератор
вырабатывает
переменный
нестабильный
ток,
который
выпрямляется в контроллере. Постоянный ток контроллера предназначен для
заряда аккумуляторов. Одновременно к аккумуляторов подключено другое
устройство
—
инвертор,
преобразующий
постоянное
напряжение
аккумуляторов в переменное однофазное напряжение 220 В 50 Гц или
трехфазное — 380/220 В, используемое потребителем для питания нагрузки.
Для вертикальных ветрогенераторов (рисунок 2) принцип работы
состоит в следующем: вертикальная ось соединена с вертикальным ротором.
Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в
вертикальной оси. Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора,
который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток
идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и
заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор,
назначение
которого
превращение
постоянного
тока
в
переменное
напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям
электроэнергии.
22
Рисунок 2 – Устройство ветрогенератора с вертикальной осью
вращения
Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько: автономная
работа ветрогенератора (рисунок 3), и параллельная работа ветрогенератора с
каким либо дополнительным источником электроэнергии (рисунок 4) .
При
автономной
работе
ветрогенератора
вырабатываемая
электроэнергия поступает на контроллер, который распределяет ее на заряд
резервных аккумуляторов и на питание электроприемников дома. Такой
вариант работы ветрогенератора обладает малой надежностью, т.к. при выходе
его из строя или безветренной погоде в течение длительного периода
потребитель останется без электроснабжения.
23
Рисунок 3 – Схема автономной работы ветрогенераторной установки
При параллельной работе ветрогенератора и солнечных батарей
выработанная электроэнергия поступает на гибридный контроллер, который
заряжает аккумуляторы и обеспечивает электроприемники электроэнергией.
Данная
схема
обладает
более
высокой
степенью
надежности
электроснабжения, т.к. при отсутствии ветра, работают солнечные батареи, а
ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от
ветровой установки.
Рисунок 4 – Схема параллельной работы ветрогенераторной установки
с солнечными панелями
24
У
систем
автономного
электроснабжения,
основанных
на
использовании энергии ветра, существует много достоинств, таких как
экологическая чистота, возобновляемость, низкие эксплуатационные затраты.
Однако существует и ряд недостатков таких автономных систем.
1. Скорость ветра.
В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра
достаточно мала, в связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной
осью вращения практически неприменимы. Однако на сегодняшний день все
больше производителей ветрогенераторов предлагают т. н. роторные
установки,
или
ветрогенераторы
с
вертикальной
осью
вращения.
Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору
достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого
направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях
электроснабжения. Наиболее прогрессивная технология — сочетание в одном
устройстве генераторов двух видов — вертикального ветрогенератора и
солнечных батарей. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют
производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях
и в любых климатических условиях, однако такое решение приводит к
удорожанию системы автономного электроснабжения.
2. Зависимость от силы ветра
Ветрогенератор
является
нерегулируемым
источником
энергии.
Выработка ветрогенератором электроэнергии зависит от силы ветра —
фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача
электроэнергии с ветрогенератора отличается большой неравномерностью как
в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах.
Учитывая, неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления),
регулировать которые ветрогенератор, не может, необходима организация
резерва мощности в виде дизель-генераторов или бензогенераторов. Данная
25
особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них
электроэнергию.
3. Проблемы
ремонта
и
обслуживания
ветрогенераторов
Ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом,
поскольку замена крупной детали, лопасти, ротора и т. п., на высоте более 10
метров является сложным мероприятием.
4. Шум
Ветряные энергетические установки производят две разновидности
шума:
1) механический шум — шум от работы механических и электрических
компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но
является значительным в ветроустановках старших моделей);
2) аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока
с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни
ветроустановки).
В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок
пользуются
только
расчётными
методами.
Метод
непосредственных
измерений уровня шума не даёт информации о шумности ветроустановки, так
как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный
момент невозможно.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании,
ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической
установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное
расстояние от установки до жилых домов — 300 м.
5. Обледенение лопастей
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой
влажности воздуха, характерной для центральных регионов России, возможно
образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки
возможен разлёт льда на значительное расстояние. Как правило, на
территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей,
26
устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от
ветроустановки. Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были
отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.
6. Радиопомехи
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в
лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем
крупнее ветроустановка, тем больше помех она может создавать. В ряде
случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные
ретрансляторы.
1.4.2 Солнечная энергетика
Солнечная энергетика представляет собой одно из перспективных
направлений возобновляемой энергетики, основанное на непосредственном
использовании солнечного излучения с целью получения энергии для
отопления, электроснабжения и горячего водоснабжения.
Солнце – неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый
источник энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии,
которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает
энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. По мнению
академика Ж.И. Алферова, «человечество имеет надежный естественный
термоядерный реактор – Солнце. Наша звезда посылает на Землю огромные
мощности, преобразование которых позволяет удовлетворять практически
любые энергетические запросы человечества на многие сотни лет». Причем,
солнечная энергетика является «чистой» и не оказывает отрицательного
влияния на экологию планеты.
Солнечная батарея состоит из большого количества фотоэлементов,
вырабатывающих электроэнергию. Принцип работы фотоэлемента солнечной
батареи (рисунок 5) состоит в следующем, на отрицательно заряженный
электрод падает солнечный свет. Он вызывает активное образование
дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием
27
электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит
разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые
направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется
разность потенциалов - постоянное напряжение. Исходя из этого видно, что
один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда
к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает электрический ток, который
зависит
от
уровня
инсоляции,
размера
фотопреобразователя,
типа
фотоэлемента, общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной
батарее.
Рисунок 5 – Принцип работы фотоэлемента солнечной батареи
Различают
несколько
типов
солнечных
батарей:
поли-
и
монокристаллические, а также аморфные. Монокристаллические являются
наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их
использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на
случай
отключения
централизованной
подачи
электроэнергии.
Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам,
в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных
централизованной подачи электроэнергии. Аморфные солнечные батареи
отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В
их основу входит аморфный кремний.
28
Система автономного электроснабжения потребителей от солнечных
батарей (рисунок 6) построена следующим образом. Электрический ток,
выработанный в солнечных батареях, поступает в контроллер, который
распределяет электроэнергию в трех направлениях:
-
обеспечивает
электроэнергией
потребителей,
работающих
на
напряжении 12В постоянного тока,
- производит зарядку аккумуляторных батарей,
- отправляет большую часть выработанной электроэнергии на инвертор,
от которого запитываются потребители 220/380 В переменного тока.
Однако данная система, в условиях центральной России, отличается
невысокой надежностью, т.к. при пасмурной погоде, при большой
загрязненности солнечных батарей, при выходе из строя солнечной батареи
электроснабжение потребителя прекратится. Для повышения надежности
электроснабжения
необходимо
установить
на
параллельную
работу
дополнительный источник электроэнергии, например ветрогегератор.
Рисунок 6 – Схема автономного электроснабжения дома на основе
солнечных батарей
29
Кроме солнечных батарей также выделяют солнечные батареи для
отопления, предназначенные для создания системы автономного отопления
(рисунок 7).
Рисунок 7 – Система автономного отопления на основе солнечных
отопительных батарей
Принцип работы солнечного коллектора кардинально отличает их от
всех описанных выше приспособлений. Главной деталью отопительной
системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий
его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого
элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров. После
коллектора свет попадает в накопительный бойлер. В нем происходит
трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании
воды, литраж которой может достигать 300 литров. Также в случае
необходимости может применяться дополнительный подогреватель воды.
Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы,
в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади,
циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска
панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно
быстро.
30
Однако использование солнечных батарей для электроснабжения малых
населенных пунктов центральной части России осложняется рядом факторов.
1. Стоимость.
На сегодняшний день стоимость одного комплекта солнечных батарей
для энергоснабжения жилого дома с общей мощностью потребителей 3 кВт
достаточно высока и составляет порядка 2500000 руб.
2. Обслуживание.
Для эффективного использования солнечных батарей, необходимо
содержать их в чистоте и не допускать накапливания пыли, снега на их
поверхности. Из-за наличия снега и пыли эффективность выработки
электроэнергии может снижаться почти до нуля.
3. Инсоляция.
Инсоляция – мера того, сколько солнечной радиации упадет на землю в
определенный период времени. От этого показателя напрямую зависит
выходная мощность солнечных батарей. В зависимости от инсоляции
возникает необходимость установки большего количества солнечных панелей
при низкой инсоляции, и меньшего количества панелей при высокой
инсоляции для получения одинаковой мощности. Также инсоляция зависит от
погоды, при ясном небе значение солнечной радиации будет максимально, при
пасмурной погоде – минимально. Ввиду расположения центральной части
России уровень солнечной радиации составляет порядка 1100 кВт-час/м2 в год,
что достаточно мало. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и
большие сезонные колебания: солнечная радиация в январе составляет 1,09
кВт-час/м2, в июле – 8,41 кВт-час/м2 в день. Также на работу солнечных
электростанций влияют количество световых дней в год. Для регионов
центральной части России этот показатель составляет от 114 до 158 дней/год
[6].
4. Площадь солнечной батареи.
При малом значении инсоляции необходимого значения мощности
можно возможно добиться благодаря установке большего числа солнечных
31
панелей, однако это приведет к удорожанию системы автономного
электроснабжения, а также к увеличению занимаемой площадь этими
панелями.
1.4.3 Малая гидроэлектроэнергетика
Среди
всех
альтернативных
источников
энергии,
наибольшей
популярностью пользуются гидроэлектростанции, т.к. при сравнении с любым
другим источником автономного электроснабжения такой же мощности,
стоимость микро ГЭС такой же мощности значительно меньше. Одним из
самых экономных и экологически чистых способов получения электроэнергии
является микро гидроэлектростанция для дома, к затратам на которую
относятся
первичное
строительство
и
техническое
обслуживание
оборудования. В случаях, когда достаточно сложно найти местность с
большим перепадом высот для строительства плотинной ГЭС, могут
использоваться микро ГЭС для создания автономного электроснабжения.
В зависимости от принципа работы выделяют четыре основных типа
микро гидроэлектростанций:
- микро ГЭС гирлянда;
- классическое водяное колесо;
- пропеллер (подходит если русло реки более 10 м в ширину);
- ротор Дарье.
В зависимости от используемых водных ресурсов микро ГЭС делятся на
несколько категорий:
- русловые станции, использующие энергию небольших рек с
организованными водохранилищами. Применяются в основном на равнинной
местности;
- стационарные станции, использующие энергию быстрого течения при
эксплуатации горных рек;
- мобильные станции, использующие
для
организации потока
армированные рукава.
32
Все описанные типы микро ГЭС характеризуются тем, что для их
функционирования не требуется постройки плотины.
Принцип работы микро ГЭС (рисунок 8) состоит в следующем. Водный
поток, попадая на лопасти турбины, вращает гидропривод, сопряженный с
электрогенератором, который и обеспечивает выработку электроэнергии под
управлением контролирующей системы.
Рисунок 8 – Мобильная микро ГЭС
Оборудование системы управления современных микро ГЭС позволяет
осуществлять работу в автоматическом режиме с мгновенным переходом на
ручное управление в случае возникновения аварийной ситуации, а также
позволяет избежать перегрузок оборудования станции..
К преимуществам микро ГЭС относятся:
- практически бесшумная работа и не загрязняет атмосферу;
- отсутствие влияния на качество воды;
- работа станции не зависит от погодных условий, электричество
вырабатывается 24 часа в сутки;
- отсутствие необходимости затопления больших площадей;
- низкая стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле
вырабатываемой на других альтернативных источниках энергии;
- простота и надежность применяемого оборудования и возможность его
работы в автономном режиме;
- неисчерпаемость используемого природного ресурса.
33
Недостатками являются:
- перебои в электроснабжении при выходе оборудования из строя,
однако, данная проблема может быть решена установкой другого резервного
альтернативного источника электроэнергии.
-
слабая
производственная
и
ремонтная
база
этой
отрасли
энергообеспечения в России.
1.4.4 Электростанции, работающие на горючем топливе
В настоящее время в России электростанции на горючем топливе
являются
наиболее
распространенным
источником
автономного
электроснабжения. Они разделяются на мини ТЭЦ, которые вырабатывают
тепловую и электрическую энергии, и электростанции, вырабатывающие
только электроэнергию.
Перспективными решениями являются мини-ТЭЦ, например на основе
газо-дизель-генераторов. Для получения тепловой энергии в камере сгорания
используется дизельное топливо, природный или сжиженный газ, а также
биотопливо. Особенно перспективны мини-ТЭЦ для отдаленных районов
сельской местности. В качестве биотоплива в этом случае возможно
использовать, например, метан, полученный в метантенках из отходов
сельского хозяйства.
В качестве приводов применяются тепловые двигатели всех типов,
однако наиболее удобны газовые и дизельные двигатели, так как они работают
на природном газе и нефти. Получение тепла с помощью такой двигательной
отопительной установки может сократить расход топлива примерно вдвое по
сравнению с обычным способом получения тепла и энергии при сжигании
топлива.
Мини-ТЭЦ по типу применяемого оборудования можно условно
разделить на следующие группы.
Мини-ТЭЦ на базе поршневых двигателей, работающих на:
- биотопливе;
34
- пиролизном газе;
- солярке, бензине, керосине;
- топливных элементах.
Мини-ТЭЦ, работающие на жидком топливе
В
качестве
жидкого
топлива
на
мини-ТЭЦ
преимущественно
используется дизельное топливо, в редких случаях керосин, бензин.
Преимущества использования дизеля в качестве топлива:
- независимость от наружных коммуникаций (автономность работы),
- более «либеральные» требования к установке оборудования и
эксплуатации электростанции.
Недостатки использования дизеля в качестве топлива для мини-ТЭЦ:
- необходимость в топливохранилище,
- высокая стоимость жидкого топлива,
- высокая себестоимость электроэнергии.
Для мини-ТЭЦ, где установлена газовая турбина, электрическое КПД
составляет 25 %. Для того что бы повысить электрическое КПД на мини-ТЭЦ
на выходе с газовой турбины устанавливают котел утилизатор на выходе из
которого получают пар. Далее пар пускают в паровую турбину, которая
дополнительно вырабатывает электроэнергию, в этом случае электрический
КПД достигает более 48 %.
Местный вид топлива – это, как правило, твердый вид топлива, за
исключением пиролизного газа и газа полученного от химических
производств и органических отходов животноводческих ферм. Виды твердого
топлива, используемые для работы ТЭЦ, это, как правило: уголь, различные
отходы деревообработки, в том числе и щепа, торф, топливные пиллеты и
брикеты из древесины, торфа, угольной пыли, различные отходы сельского
хозяйства и промышленных предприятий.
Принцип работы следующий: топливо сжигается в котле, где получают
пар. Далее пар поступает в турбину, где вырабатывается электроэнергия.
35
Далее пар может быть использован для отопления дома, после чего он
охлаждается и преобразуется в воду и поступает в котел.
В последнее время в области малых мощностей представляют интерес
мини ТЭЦ на базе топливных элементов.
Топливные
преобразователи
элементы
с
представляют
непрерывной
подачей
собой
электрохимические
продуктов
реакции.
Они
преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в
электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются высокий
электрический КПД при полной и частичной загрузке при малой эмиссии
вредных веществ, возникающей из-за подключения горелочного устройства
для подготовки водорода из жидких энергоносителей. Кислород получают из
окружающего воздуха, а водород из природного газа. Из-за отсутствия
механических компонентов в батарее элементов позволяет говорить о том, что
они
почти
не будут нуждаться
в обслуживании,
и
будут иметь
продолжительный срок эксплуатации.
Мини-ТЭЦ на базе двигателя внутреннего сгорания применяются для
автономного
получения
тепловой
и
электрической
энергии
и
уже
применяются в отдаленных районах страны с холодным климатом.
Особенностью таких установок, является способность работать автономно, с
использованием практически любого топлива. Также благодаря тому, что они
мобильны, передвижные мини-ТЭЦ малой мощности за несколько часов
могут быть введены в эксплуатацию.
Принцип работы мини ТЭЦ на базе двигателя внутреннего сгорания
состоит в следующем (рисунок 9). В двигатель внутреннего сгорания подается
топливо-воздушная смесь, которая сгорая, приводит вал двигателя во
вращение. Вал двигателя соединен с валом генератора, который вырабатывает
электроэнергию.
Охлаждающая
жидкость
двигателя
попадает
в
теплообменник, который нагревает холодную воду и обеспечивает теплое
водоснабжение и обогрев помещений.
36
Рисунок 9 – Принцип работы мини ТЭЦ на базе ДВС
Для обслуживания таких установок требуется малое количество людей.
Также выгодно применение мини-ТЭЦ, работающих на местном топливе.
Также перспективным топливом, для производства энергии на миниТЭЦ является газ, полученный из органических отходов путем их
переработки. Производство биотоплива из биомассы может осуществляться
различными способами.
Основными способами являются термохимическая конверсия биомассы
в топливо (прямое сжигание, пиролиз) и биотехнологическая конверсия при
влажности от 75 % и выше (низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз).
Для производств биогаза используются органическая часть бытовых
отходов, а также отходы животноводства, птицеводства (экскременты
животных и остатки корма), растениеводства и овощеводства (солома, ботва,
фрукты, овощи), древесина, отходы лесной и деревообрабатывающей
промышленности, канализационные стоки.
Производство биогаза, достаточно простая операция, не требующая
большой технологической поддержки, применяется в малом фермерском
хозяйстве. Анаэробная бактериальнохимическая система при температуре 3055 0С за время 5-20 суток разлагает до 50 % органического вещества в
37
биогаз, содержащий 55-80 % метана и 20-45 % углекислого газа [7].
Современные мембранные технологии позволяют разделить биогаз на
горючий метан и инертную кислоту, которая используется как удобрение.
Теплотворная способность биогаза составляет 5-6000 ккал/м3[6]. По
теплоотдаче 1 м3 биогаза эквивалентен 0,7 м3 природного газа, 0,7 кг мазута,
0,6 кг керосина, 0,4 кг бензина, 3,5 кг дров [7]. Технология производство
биогаза сбраживанием хорошо освоена и находит применение.
Эффективным способом получения топлива для мини-ТЭЦ является
использование отходов лесозаготовительных и лесоперерабатывающих
предприятий. Капитальные вложения в производство электроэнергии на базе
древесного генераторного газа окупаются за 1 год.
Себестоимость единицы электроэнергии при этом снижается на 60 %, а
тепловой на 70 % [7].
Лесные регионы, как правило, оторваны от линий электропередач.
Электроснабжение
в
этих
местах
осуществляется
дизельными
электростанциями, а отопление - путем сжигания древесины. В связи с этим,
целесообразно
строительство
мини-ТЭЦ,
использующих
отходы
деревообработки в качестве топлива. Достоинством такой технологии
является тот факт, что в большинстве случаев не требуется создания новых
установок, т.к. технологический процесс может быть организован на базе
имеющегося оборудования.
Мини-ТЭЦ
является
альтернативными
источниками
получения
тепловой и электрической энергии, предназначенными для использования в
различных областях народного хозяйства.
По
сравнению
с
традиционными
способами
производства
электроэнергии и тепла мини-ТЭЦ выбрасывают в атмосферу на 60 % меньше
СО2 и NO , значительно сокращая потребление топлива, благодаря этому они
становятся
перспективными
для
создания
систем
автономного
электроснабжения.
38
Мини-ТЭЦ позволяют добиться высокого использования первичной
энергии до 90 % и выше. При этом 30-35 % энергии преобразовывается в
электрический ток и до 60 % в тепловую энергию [8].
1.5 Ретроспективный анализ международного опыта по развитию
автономных локальных энергосистем
Проанализируем опыт зарубежных специалистов в области автономного
энергоснабжения потребителей от возобновляемых источников энергии таких
стран как Германия, Дания. Швеция, США, Канада. С учетом климата и
местоположения данных стран специалистами использовались разные
технологии генерации электроэнергии.
В США для электроснабжения автономных потребителей используются
разные источники автономного электроснабжения: ветроэлектростанции,
солнечные батареи и коллекторы, автономные электрогенераторы на
биотопливе.
Население южных штатов, такие как Флорида, Техас,
Калифорния устанавливает на крыше домов солнечные батареи и полностью
обеспечивает свои дома электроэнергией круглый год благодаря очень малому
количеству пасмурных дней в году. Также используются ветрогенераторные
установки. В центральных и северных штатах более распространены системы
автономного электроснабжения, использующие биогаз и топливные элементы.
Данные установки также используются промышленными предприятиями.
Например, компания Kroger, сумела сэкономить за истекший год 160 млн.
долларов благодаря проведению таких мероприятий. Также в США сильно
развито использование в качестве источников автономного электроснабжения
микро ГЭС. В Европе и США распространены энергетические системы для
дома мощностью 1-2,5 кВт, которые подсоединены к центральной
энергетической системе и не содержат накопителей электроэнергии [9].
В
Европе
странами,
активно
развивающими
альтернативную
энергетику, являются Германия, Дания, Швеция, Франция. Правительство
Германии в 2000 г. приняло «Закон о возобновляемых источниках энергии».
39
Данный закон регулирует получение и оплату электроэнергии, произведенной
из возобновляемых источников.
Система основывается
на гарантии
минимальной цены, которую сетевая компания обязана предоставить
производителю. Расходы распределяются среди частных домохозяйств и
предприятий. Таким образом, производство энергии на базе возобновляемых
источников энергии в Германии стало экономически выгодным. Благодаря
тому, что производство ветрогенераторов разных единичных мощностей было
поставлено на поток, на данный момент более 17 тыс. домовладений имеют
собственное автономное электроснабжение, а также могут продавать излишки
электроэнергии государству, получая прибыль.
В Дании строительство объектов малой энергетики признано одним из
перспективных
государственной
направлений
программой.
развития
В
Дании
энергетики
планируется
и
объявлено
переход
на
возобновляемую энергетику до 33 % к 2020 году и полный отказ от
ископаемого топлива к 2050 году. Порядка 100 тысяч граждан Дании
инвестировали в ветроэнергетику. В Дании распространено кооперативное
использование ветряных электрогенераторов. К 1996 году таких кооперативов
было около 2100 по все стране [10].
В Швеции наиболее приоритетными направлениями автономного
энергоснабжения считаются солнечные электростанции и использование
биотоплива для получения электрической и тепловой энергии. Например, в
городе Мальмё электроснабжение городской больницы осуществляется от 2-х
массивов солнечных батарей, установленных над зданиями больницы.
Площадь данной системы составляет 1250 м 2, а пиковая мощность 166 кВт
[11]. Городское теплоснабжение осуществляется от солнечных коллекторов.
40
2. Анализ источников автономного энергоснабжения
2.1
Основные требования, предъявляемые к автономным системам
энергоснабжения,
в
том
числе
с
нетрадиционными
источниками
электрической энергии
Современные системы автономного энергоснабжения могут быть
созданы на основе одного основного источника энергии. Также различают
комбинированные
системы
автономного
электроснабжения,
которые дополнительно используют альтернативные способы получения
электричества. В большинстве случаев в качестве основного источника
энергии используется генератор, работающий на дизельном топливе или
бензине. В качестве альтернативных систем применяются фотоэлектрические
(солнечные) батареи или ветрогенераторы. Однако в системах автономного
электроснабжения на основе альтернативных источников энергии они
применяются в качестве основных, а дизельный генератор — как резервный
или дополнительный источник электроэнергии.
С помощью данных систем как одиночного, так и комбинированного
типа осуществляется автономное энергоснабжение коттеджей или частных
домов, которое заключается в обеспечении их электроэнергией и теплом. С
учетом
того,
энергоснабжения
предполагается
что
не
могут
все
альтернативные
вырабатывать
установка
и
специального
электрических водонагревательных котлов,
системы
тепло
и
автономного
электроэнергию,
оборудования,
для
выработки
например
тепла из
электроэнергии. При использовании автономных систем энергоснабжения
можно не зависеть от расположения централизованных энергосистем, а также
запитать все необходимое оборудование.
Система автономного энергоснабжения (рисунок 10) включает в себя
несколько главных составляющих:
- генерирующее устройство – основная часть автономной системы
энергоснабжения. Используя различные способы генерации (сила ветра,
41
солнечное излучение и т.д.), оно вырабатывает электрическую и тепловую
энергию для автономного энергоснабжения потребителей.
- аккумуляторная батарея — является обязательной частью автономных
энергосистем.
Данное устройство,
накапливая
электроэнергию от
генерирующего устройства, отдает ее в сеть по мере необходимости, а также
обеспечивает возможность бесперебойного электроснабжения при поломке
генератора.
- инвертор – устройство, использующееся для преобразования
постоянного тока в переменный. Достаточно часто в инвертор встраивается
контроллер заряда аккумуляторной батареи. Это является наилучшим
вариантом в случае использования систем автономного энергоснабжения с
использованием аккумуляторных батарей.
- необходимое электротехническое оборудование, системы управления
и контроля.
- энергосберегающие решения – необходимы для рационального
использования сгенерированной электроэнергии. С учетом необходимости
максимальной экономии потребления электричества, а так же для снижения
затрат на обслуживание генераторной установки, следует использовать
различные энергосберегающие решения, например — люминесцентные или
энергосберегающие лампочки, вместо ламп накаливания, и др. [12].
Рисунок 10 – Система автономного комбинированного
электроснабжения
42
К оборудованию автономных систем электроснабжения применяются
следующие требования:
1. Уровень надежности энергообеспечения должен быть не менее
требуемого потребителем. В качестве потребителей в данной работе
рассматриваются малые населенные пункты, расположенные в центральной
части России. К таким пунктам относятся малые сельскохозяйственные
предприятия и организации, частные дома и коттеджи, малые предприятия
добывающей отрасли, например лесопилки, предприятия по добыче торфа.
Согласно ПУЭ [13], данные потребители относятся к 3 категории надежности
электроснабжения, для которой электроснабжение может выполняться от
одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения,
необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы
электроснабжения, не превышают 1 суток. Однако в случае большой
удаленности данного населенного пункта от города, а также с учетом того, что
количество организаций, специализирующихся на ремонте и обслуживании
автономных источников энергии, работающих на возобновляемых ресурсах,
мало, необходимо иметь резервный автономный источник электроснабжения,
для использования его в случае аварии.
2.
Стоимость
электроэнергии,
получаемой
от
автономных
электростанций на основе возобновляемых источников энергии, должна быть
минимальной при соблюдении первого требования, а также они должны
максимально использовать потенциальные возможности существующих в
данном регионе возобновляемых источников энергии. При рассмотрении
данного пункта необходимо рассматривать вопрос рациональности установки
и эффективности использования того или иного автономного источника
электроэнергии. Суть в том, что перед выбором того или иного источника
автономного энергоснабжения необходимо определить, какими ресурсами
располагает местность, в которой будет установлено данное оборудование и
насколько это будет экономически выгодно и целесообразно.
43
3. Электростанции на основе возобновляемых источников энергии
должны
быть
безопасными
в
эксплуатации.
Оборудование
таких
электростанций должно соответствовать российским стандартам качества,
должно быть безопасным при эксплуатации, не должно причинять
материальный ущерб собственнику оборудования.
4. Автономные электростанции на основе возобновляемых источников
энергии должны максимально экономить ископаемое углеводородное
топливо, а в пределе исключить его использование для получения
электроэнергии.
Необходимо
использовать
такие
типы
автономных
электростанций, которые были бы наименее энергозависимы от ископаемого
топлива, из-за достаточно большой стоимости его выработки и доставки.
5. Автономные электростанции должны уменьшать отрицательное
влияние на окружающую среду, в пределе полностью устранить такое
влияние. В настоящий момент большая часть автономных электростанций
представлена бензиновыми или дизельными генераторами, работающими на
горючем топливе. Вследствие работы, в окружающую среду выбрасывается
большое количество химических соединений, наносящих ей большой ущерб.
Использование автономных возобновляемых источников энергии позволяет
значительно снизить, а в отдельных случаях полностью исключить
отрицательное
влияние
на
окружающую
среду
в
ходе
выработки
электроэнергии.
Основными
требованиями
к
автономным
электростанциям,
использующим энергию возобновляемых источников, являются первые два,
которые определяют возможность выполнения остальных требований [14].
При выборе системы автономного электроснабжения следует учитывать
суммарную мощность потребителей электроэнергии, таких как холодильное
оборудование, бытовая техника, системы отопления, насосного оборудования.
Любой из видов потребителей имеет свою мощность, однако, предъявляемые
к сети электропитания требования у всех одинаковые.
Такими требованиями являются:
44
1. Стабильность напряжения и его частота.
2. Технические характеристики, на основе которых будет строиться
резервный источник питания, или полностью автономное энергоснабжение.
3. Суммарная мощность системы автономного электроснабжения.
Рекомендуется завышать данный параметр на пятнадцать — тридцать
процентов. Это необходимо для обеспечения в дальнейшем роста потребления
электроэнергии.
2.2 Сравнительный анализ устройства, технических характеристик и
условий эксплуатации основных видов альтернативных источников энергии
рекомендуемых для автономного энергоснабжения
Для проведения сравнительного анализа устройства основных видов
альтернативных источников энергии, рекомендуемых для автономного
энергоснабжения,
необходимо
знать
установленную
мощность
всех
электроприемников, используемых потребителем. В большинстве случаев
такие источники автономного энергоснабжения устанавливаются отдельно
для каждого потребителя, например личное подсобное хозяйство (ЛПХ), реже
для группы потребителей, например малый населенный пункт из нескольких
ЛПХ. В данном конкретном случае нас наиболее всего интересует отдельный
потребитель,
например
такой
как
ЛПХ.
Согласно
[15],
наиболее
распространенным типом является ЛПХ 2 типа, установленная мощность
которого составляет Руст = 3,3 кВт. В данном типе ЛПХ содержится: 2 коровы,
1 теленок на откорме, 2 - 3 поросенка на откорме, 4 - 5 овец, 12 - 15 кур.
Перечень приборов в ЛПХ, их установленная мощность, число часов
использования, годовое электропотребление приведены в таблице 1 [15].
45
Таблица 1 - Оборудование для ЛПХ 2-го типа
Процесс, прибор
1 Освещение хоз. блока
2 Инкубатор
3 Облучатель-брудер
4 Стригальный аппарат
5 Электрокорнеплодорезка
6 Почвенный обогрев теплицы (10
м 2)
7 Кипятильник
8 Сепаратор
Итого
Руст, кВт
0,1
0,19
0,25
0,27
0,35
1,0
Чисп, ч
513
504
936
0,4
86
300
Wгод, кВт · ч
51,3
95,8
234
0,11
30
300
1,0
0,13
3,29
200
90
300
12
1023,2
Также необходимо учесть потребление электроэнергии бытовыми
электроприборами, такими как телевизор, компьютер, различная бытовая
техника, а также предусмотреть способ обогрева жилого помещения
площадью 100 м2, который в зависимости от типа используемого автономного
источника электроснабжения будет различаться. Потребление электроэнергии
бытовыми электроприборами приведено в таблице 2.
мощности
cosф/tgф
активная
кВт
полная
кВА
Число часов использования
оборудования в год, ч
Потребленная электроэнергия
оборудованием за год, кВт•ч
Расчетная
мощность
использования Ки
Освещени 1
е
Бытовая
2,2
розеточна
я сеть
Электрич 6
еская
индукцио
нная
плита
Расчетные
коэффициенты
спроса Кс
(номинальная)
Установленная
мощность, кВт
Наименование
групп
электропотребителей
или
отдельных электроприемников
Таблица 2. Потребление электроэнергии бытовыми электроприборами.
0,8
0,6
1,0/0
0,48
0,48
2153
1033,44
-
0,7
0,9/0,484
1,54
1,386
1460
2023,56
0,8
1
1,0/0
4,8
4,8
730
3504
46
Продолжение таблицы 2.
Посудомо
ечная
машина
Холодиль
ник
Кухонны
й комбайн
Стиральн
ая
машина
ПЭВМ
2,2
0,8
0,8
0,8/0,75
1,408
1,126
4
174
194,88
0,6
1
0,5
0,95/0,3
0,3
0,285
2190
624,15
4
0,3
1
1,0/0
1,2
1,2
48
57,6
2,2
1
0,6
0,8/0,75
1,32
1,056
260
274,56
1
0,6
1
0,65/1,1
0,6
0,39
1460
569,4
Итого:
19,2
11,648
10,72
8281,59
Таким образом, для организации автономного энергоснабжения для
обеспечения основных потребителей электроэнергии, при условии наличия
автономного теплоснабжения необходима установка, мощностью не менее
11 кВт, вырабатывающая 9304,79 кВт•ч в год. В случае отсутствия
автономного
теплоснабжения
необходимо
предусмотреть
установку
электрического нагревательного котла, мощностью 4 кВт, вырабатывающую
25,41 Гкал в год [16].
Также необходимо определиться в какой местности будет находится
потребитель, каким потенциалом возобновляемых энергетических ресурсов
обладает данная местность. Для центральной России характерен равнинный
рельеф местности. Однако природный потенциал Северной, Центральной и
Южной части центральной России достаточно сильно отличается друг от
друга [17]. Для выполнения сравнения примем, что потребитель расположен в
Центральной части центральной России. Для данного региона характерно
наличие большого количества рек и ручьев со средней скоростью течения 0,50,8 м/с [18], средняя скорость ветра составляет 3,6 м/с, среднее значение
инсоляции составляет 5,25 кВт•ч/м 2 в день.
Для того, чтобы правильно осуществить выбор вида автономного
источника энергоснабжения, необходимо произвести сравнительный анализ
47
устройств, их технических характеристик и условий эксплуатации. Для этого
сравниваются ветряные электростанции, солнечные электростанции, микро
ГЭС и установки, работающие на местном топливе, различных видов.
2.3 Солнечные электростанции
В настоящее время солнечные электростанции являются одними из
наиболее используемых альтернативных источников энергии. Годовая доля
выработанной ими электроэнергии составляет 0,79% от годовой выработки
электроэнергии в мире [19].
Для получения электроэнергии применяются следующие способы:
получение электроэнергии с помощью фотоэлементов и преобразование
солнечной энергии в электрическую с помощью тепловых машин, таких как
паровые машины (поршневые или турбинные), использующих водяной пар,
углекислый газ, пропан-бутан, фреоны, а также двигателя Стирлинга.
2.3.1 Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов
В настоящее время распространены солнечные электростанции данного
типа. Они состоят из большого числа отдельных модулей - солнечных батарей
различной мощности. Принцип работы рассматриваемой установки состоит в
следующем.
Фотоэлектрические
преобразователи
или
солнечные
аккумулирующие батареи представляют собой пластину, обладающую
свойствами полупроводника. Она вырабатывает постоянный ток при
попадании на нее световых лучей. Кремний и его соединения с медью,
галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические
фотоэлементы, полимерная пленка являются основой данной пластины [20].
При попадании света из двух слоев полупроводников разной
проводимости возникает p-n переход. В обоих направлениях проходит
движение
разнозаряженных
частиц,
при
замыкании
контура
фотоэлектрического преобразования они питают нагрузку. Электроны из
катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При
48
подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою энергию и
возвращаются в n-слой. Данное явление называется «внешний фотоэффект», а
двухслойная
пластина
как
«фотоэлемент».
В
большинстве
случаев
применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным
типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с
высокой концентрацией легирующих примесей. Для полноценной передачи
электронов используется контактная система: внешняя сторона батареи
напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная. Чем выше
площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования
полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое
явление и принцип работы зависят от интенсивности солнечного излучения инсоляции, поэтому на величину КПД панели оказывают влияние погодные
условия, климат, сезон, географическая широта.
Каждый материал имеет свой коэффициент фотоэлектрического
преобразования солнечных лучей, который составляет от 5 до 30 % [21], и
вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового
потока.
Важнейшей
характеристикой
солнечной
батареи
является
коэффициент полезного действия ее фотопреобразователей, который зависит
от используемых полупроводниковых материалов и конструкции батареи
(таблица 3).
Таблица 3 - Характеристики солнечных батарей разных типов
Тип фотопреобразователя
КПД, %
Поликристаллический
кремний
Монокристаллический
кремний
Арсенид галлия
Гетерофотоэлемент
8–10
12–18
25–28
46–52
Удельная стоимость за 1 м2 ,
тыс. руб.
3
10
300
Данные отсутствуют
Также многое зависит от площади батареи. В среднем для получения 1
кВт необходимо установить 6 м 2 панели, при использовании блоков
одиночных кристаллов (рисунок 11). Однако существуют инновационные
49
многослойные полимерные соединения - монокристаллы, чей КПД достигает
30 %, но данная технология достаточно дорога.
Рисунок 11 – Подключение фотоэлементов в солнечной панели
Различают в зависимости от площади маломощные батареи, мощностью
до 10 Вт, и стационарные панели. Маломощные батареи относятся к
переносным, и используются для зарядки ноутбука и мобильных устройств.
Солнечные батареи могут устанавливаться в различных местах, начиная от
кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями.
Установленные
мощности
электроснабжение
начиная
данных
от
батарей
отдельных
позволяют
насосов
организовать
и
заканчивая
электроснабжением небольшого поселка. Так как мощность батарей
полностью пропорциональна солнечной интенсивности, целесообразнее
размещать отслеживающие панели, которые изменяют угол расположения, в
зависимости от движения Солнца. Толщина вариантов из полупроводника
составляет от 10 мкм до 10 см, но с учетом вспомогательных приборов модули
весят больше, чем стационарные [21].
В центральной России установка солнечных аккумуляторов окупается за
3–5 лет, так как лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для
полноценного отопления и электроснабжения дома в 100 м2 полезной площади
50
потребуется 75 м2 панелей, мощность которых будет составлять 12,5 кВт [21].
Также для организации такой системы необходимы аккумуляторные батареи,
для создания резервного источника питания, контроллер заряда, необходимый
для распределения электроэнергии на зарядку аккумуляторных батарей и
электроснабжения потребителей, инвертор, необходимый для преобразования
постоянного тока в переменный (рисунок 12). В настоящее время стоимость
такой системы в России составляет 2 800000 рублей [22].
Рисунок 12 – Система автономного электроснабжения на основе
солнечных батарей
Для получения максимального эффекта от установки солнечных батарей
необходимо:
1. Разместить их на южной стороне под углом не менее 30°.
2. Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.
3. Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.
4. Установить отслеживающие солнечный свет системы.
Так как современные комплексы не способны аккумулировать
достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при
длительной непогоде, необходимо использовать данную систему как часть
комбинированной системы.
Достоинства:
1. Неиссякаемость и вседоступность источника энергии.
51
2. Экологичность. При использовании солнечных панелей отсутствуют
вредные выбросы в атмосферу.
3. Долговечность. Износ батарей происходит очень медленно, так как в
ней нет подвижных частей. Срок службы фотоэлементов составляет 25 лет, а
при
правильных
условиях
эксплуатации
и
бережном
отношении
фотоэлементы способны прослужить больший срок. Однако после этого срока
у них начинает падать КПД и постепенно необходимо заменять их на новые.
4. Достаточно простой принцип работы. При эксплуатации данных
систем нет необходимости в получении каких либо специфических навыков,
так как система достаточно проста.
5.
Возможность
наращивания.
Модульность
батарей
позволяет
беспрепятственно в случае необходимости увеличивать мощность системы.
Необходимо добавить новые солнечные панели и подключить их к системе.
Но
эти
преимущества
солнечных
электростанций
перекрываются
существенной проблемой, а именно необходимостью оборудования больших
площадей.
Недостатки:
1. Необходимость больших первоначальных инвестиций. Также срок
окупаемости вложений в данную систему, довольно неопределенный, так как
всё зависит от факторов, которые не зависят от потребителя.
2. Малый КПД. В среднем 1 кв. метр площади солнечной батареи
прозводит не более 120 Вт полезной мощности. Этой энергии недостаточно
даже для работы компьютера. В среднем КПД используемых для
электроснабжения зданий солнечных батарей составляет 14 %, что меньше
КПД традиционных источников энергии.
3. Солнечные батареи малоэффективны в зимнее время, а также при
пасмурной и туманной погоде. Из-за этого необходимо использовать
солнечные батареи в совокупности с другими альтернативными источниками
энергии, а также применять аккумулирующие системы для сохранения
энергии на случай непогоды.
52
4. Солнечная инсоляция зависит от географической широты и климата
местности. В разных местах земного шара количество солнечной энергии,
падающей на землю, может очень сильно отличаться, поэтому для генерации
одинаковой мощности в северных широтах необходимо устанавливать
большее количество солнечных батарей.
5. При использовании систем на солнечных батареях необходима
установка аккумуляторов, инверторов и наличие вспомогательных помещений
для его размещения.
6. Солнечные электростанции не вырабатывают электроэнергию в
ночное время и недостаточно эффективно работают по утрам и вечерам.
используя
ориентирование солнечных батарей
относительно Солнца,
возможно увеличить генерируемый ими ток, однако ежедневная ориентировка
батарей довольно затруднительна. Для этого применяются системы слежения
за солнцем, однако они имеют достаточно большую стоимость.
7. Поверхность солнечных панелей необходимо периодически очищать
от пыли и других загрязнений, так как величина выработки электроэнергии
при загрязнении снижается. Также в зимний период солнечные панели
необходимо очищать от снега и наледи, а при установке их на крыше дома это
достаточно неудобно и травмоопасно.
8. КПД фотоэлементов уменьшается при их нагреве и, поскольку
работают они под разогревающим их солнечным излучением, то возникает
необходимость установки систем охлаждения, как правило, водяных. Это
приводит к удорожанию системы, и снижению количества выработанной
энергии, так как часть ее будет тратиться на работу насосов охлаждающей
системы.
2.3.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью
тепловых машин
Для нагрева теплоносителя используется солнечный коллектор.
Солнечный коллектор это устройство для сбора энергии Солнца, переносимой
53
видимым светом и инфракрасным излучением. Различают плоские и
вакуумные солнечные коллекторы. Плоский коллектор (рисунок 13) состоит
из прозрачного покрытия, элемента, поглощающего солнечное излучение и
термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент, связан с теплопроводящей
системой и выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием
металлов. Плоские коллекторы нагревают теплоноситель до 190—200 °C в
зависимости от режима работы. В качестве теплоносителей используются
вода, воздух, масло, антифриз.
Рисунок 13 – Схема плоского коллектора
В зависимости от падающей энергии, передающейся теплоносителю,
протекающему в коллекторе, становится выше его эффективность. Также
повысить её можно при применении специальных оптических покрытий,
которые не излучают тепло в инфракрасном спектре.
Вакуумный коллектор (рисунок 14) состоит из многослойного
стеклянного покрытия, благодаря которому возможно повышение температур
теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла.
Внешняя часть трубы такого коллектора прозрачна, а на внутренней трубке
наносится высокоселективное покрытие, которое улавливает солнечную
энергию. В пространстве между внешней и внутренней стеклянной трубкой
находится вакуумная прослойка, которая дает возможность сохранить около
95 % улавливаемой тепловой энергии [23].
54
Рисунок 14 – Схема вакуумного коллектора
Далее нагретый теплоноситель по соединительным трубам поступает в
двигатель Стирлинга (рисунок 15), выходной вал которого соединен с валом
генератора. Двигатель Стирлинга это тепловая машина, в которой жидкое или
газообразное рабочее тело движется в замкнутом объеме. Принцип работы
двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и
охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре.
Рисунок 15 – Схема двигателя Стирлинга
55
Данный двигатель может работать от любого источника тепла, например
нагретого теплоносителя из солнечного коллектора. Внешний источник тепла
нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое
давление толкает рабочий поршень вверх. Маховик толкает вытеснительный
поршень вниз, перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую
камеру. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
Вытеснительный поршень поднимается вверх, перемещая охлажденный
воздух в нижнюю часть.
Генератор вырабатывает переменный электрический ток, часть которого
используется напрямую потребителями, а другая часть поступает в зарядное
устройство.
Оно перенаправляет переменный
электрический
ток
на
контроллер постоянного тока, который заряжает аккумуляторные батареи.
При полной зарядке батарей контроллер передает постоянный ток на
инвертор, который выдает переменный ток для питания потребителей. Схема
работы данной системы представлена на рисунке 16.
Рисунок 16 – Схема работы системы, преобразующей солнечную
энергию в электрическую с помощью двигателя Стирлинга
Солнечная энергия широко используется как для производства
электроэнергии, так и для нагрева воды. Солнечные коллекторы производятся
из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения
дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить
стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время
56
именно солнечный нагрев воды является одним из самых эффективных
способов преобразования солнечной энергии.
Стоимость данной системы отопления и электроснабжения дома в 100
м2 в России составляет в среднем около 1 200000-1 600000 рублей, а ее общая
мощность составляет 12 кВт [24].
Достоинства:
1. Летом солнечный коллектор полностью обеспечивает необходимость
частного дома в горячей воде и электроэнергии. Весной и осенью солнечный
коллектор работает не так эффективно вследствие понижения температуры
окружающей среды, уменьшения продолжительности светового дня и
значения инсоляции.
2.
При установке солнечного коллектора не требуется каких либо
специфических знаний и навыков.
3. Долгосрочность. Солнечный коллектор при бережной эксплуатации
прослужит не менее пятнадцати лет.
Недостатки:
1. Достаточно высокая стоимость. Цены на домашние солнечные
коллекторы варьируются от 500 до 1000 долларов за единицу, то есть,
окупится она где-то через 7 лет.
2. Солнечный коллектор нельзя рассматривать как единственный
источник энергии. Ночью или при пасмурной погоде выработка тепла
коллектором прекращается.
3. Необходимо периодическое обслуживание, так как со временем
накапливаются пыль и грязь, которую нужно убирать.
4. Дополнительные затраты для установки бака-накопителя. Без него
солнечный коллектор не будет иметь возможности для отвода выработанной
энергии.
В ходе анализа было установлено, что среди всех разновидностей
автономных солнечных электростанций, наиболее оптимальным вариантом
для установки на удаленных объектах, расположенных в центральной части
57
России является коллекторная солнечная электростанция, обеспечивающая
потребителей теплом и электричеством, и имеющая меньшую стоимость
установки.
2.4 Ветряные электростанции
В настоящее время ветряная энергетика является наиболее сильно
развивающимся
видом
альтернативной
электроэнергии,
выработанной
этими
энергетики.
Годовая
электростанциями,
доля
составляет
706 ТВт•час, 3 % от всей электроэнергии, произведенной человечеством [17].
Принцип работы данной системы автономного электроснабжения
одинаков для всех типов ветроэлектростанций (ВЭС). Данная система состоит
из следующих компонентов (рисунок 17):
- Ветрогенератор предназначен для выработки электроэнергии из ветра.
- Контроллер необходим для перераспределения электроэнергии между
потребителем и аккумуляторными батареями, а также для выбора источника
питания между ВЭУ и АКБ.
-
Аккумуляторные
батареи
необходимы
для
обеспечения
электроэнергией потребителей в случае выхода ветрогенератора из строя или
безветренной погоде.
- Инвертор используется для преобразования постоянного тока,
получаемого от ВЭУ или АКБ переменный.
Рисунок 18 – Схема электроснабжения дома от ветрогенератора
58
Различают следующие типы ветроэлектростанций по отношению
рабочего колеса к направлению воздушного потока:
1) с горизонтальной осью вращения;
2) с вертикальной осью вращения.
2.4.1 С горизонтальной осью вращения
В настоящее время в мире и в России наибольшее распространение
получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав
которых входят следующие основные компоненты (рисунок 18): рабочее
колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.
Рисунок 18 – Схема ветряной электроустановки с горизонтальной осью
вращения
Башня является несущей конструкцией данной системы. Она бывает
трубообразная, реже – решетчатая, для облегчения веса и экономии
материалов. На вершине башни размещается основное энергетическое,
механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее
колесо или ротор с лопастями, который преобразует энергию ветра в энергию
59
вращения вала, редуктор, необходимый для повышения частоты вращения
вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его
втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для
повышения полезной мощности ВЭУ. Для генерации электроэнергии
используются: асинхронные и синхронные генераторы, а также генераторы
постоянного тока [25].
Для обеспечения электроснабжения дома в 100 м 2 полезной площади
необходима система автономного электроснабжения на основе двух
ветрогенераторов данного типа, общая мощность которых будет составлять 11
кВт [26]. В настоящее время стоимость такой системы в России составляет
2442000 рублей [23].
Достоинства:
1. Возможность изменять шаг лопаток турбины. Это позволяет
максимально использовать энергию ветра в зависимости от сезона.
2. Благодаря высокой мачте возможно добираться на большую высоту
до более сильных ветров. Это объясняется тем, что в некоторых районах при
повышении на каждые 10 метров сила ветра увеличивается на 20 %, а
энергетическая выгода на 34 % [27].
3. Высокая эффективность из-за того, что ветроколесо всегда
направлено перпендикулярно ветру, и использует весь поток воздуха. В
системах с вертикальной осью вращения часть системы работает против
набегающего потока воздуха, что ведет к снижению эффективности.
Недостатки:
1. Высокие мачты высотой до 30 метров и длинные лопасти трудно
транспортировать, монтировать и обслуживать. Расходы на это могут
достигать 20 % сооружения конструкции и стоимости всего оборудования.
2. Возмущения в радиосигналах и связи, возникновение которых
объясняется размерами ВЭУ.
3. Шум, создаваемый лопастями при вращении, может оказывать
отрицательное влияние на людей.
60
4. Непостоянное воздействие требуемой силы ветра для обеспечения
работы прибора. При безветренной погоде выработка электроэнергии
ветрогенератором
прекратится.
Для
повышения
надежности
электроснабжения применяются комбинированный системы автономного
электроснабжения, состоящие из ветрогенератора и солнечных панелей.
2.4.2 С вертикальной осью вращения
Схема системы автономного электроснабжения с данным типом
ветрогенератора идентична предыдущей. Разницей является конструкция
данного типа ветрогенератора.
У ветродвигателей с вертикальной осью вращения (рисунок 19) ведущий
вал ротора расположен вертикально. Лопасти такого ветрогенератора длинные
и
в
большинстве
случаев
дугообразные.
Благодаря
вертикальному
расположению вала ротора Н-образные турбины «захватывают» ветер,
дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение
ротора при изменении направления ветровых потоков.
Рисунок 19 – Схема ветрогенератора с вертикальной осью вращения
Для обеспечения электроснабжения дома в 100 м2 полезной площади
необходима система автономного электроснабжения на основе двух
ветрогенераторов данного типа, общая мощность которых будет составлять
61
12 кВт. Стоимость такой системы в России в настоящее время составляет 2
840000 рублей [28].
Достоинства:
1. Применение конструкции меньших размеров, по сравнению с
ветрогенераторами с горизонтальной осью, при одинаковой мощности.
2. Отсутствие механизмов ориентации по ветру, так как при любом
направлении ветра данная конструкция будет вырабатывать электроэнергию.
3. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их
обслуживание.
4. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра из-за конструкции.
Система начинает производить электричество при скорости ветра в 2-2,5 метра
в секунду.
5. Возможно строительство в местах, где невозможно возведение
высоких сооружений.
6. Во время работы производит меньше шума, по сравнению с
ветрогенераторами с горизонтальной осью.
Недостатки:
1. Из-за потерь на вращении против потока воздуха большинство
ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза менее
эффективны, чем с горизонтальной.
2. Так как некоторые элементы системы находятся внизу их ремонт или
замена могут быть невозможны без демонтажа самой мельницы.
В ходе анализа было установлено, что среди разновидностей
автономных ветроэлектростанций, наиболее оптимальным вариантом для
установки на удаленных объектах, расположенных в центральной части
России является ветроэлектростанция с вертикальной осью вращения.
62
2.5 Микрогидроэлектростанции
В
настоящее
время
микрогидроэлектростанции
(до
200
кВт)
применяются для обеспечения электроэнергией населения отдаленных и
горных районов, а так же фермерских хозяйств, для которых это дешевле и
выгоднее, чем строительство линий электропередач или эксплуатация
дизельных установок [29].
Для организации автономного энергоснабжения наиболее подходят
деривационные, свободнопоточные и гирляндные микрогидроэлектростанции
(микроГЭС).
2.5.1 Деривационные микрогидроэлектростанции
Данный вид микрогидроэлектростанций наиболее распространен и
используется для организации автономного электроснабжения удаленных
населенных пунктов. Деривационные рукавные микро ГЭС используют
потенциальную энергию водяного потока (рисунок 20). Конструкция
электростанции состоит из: 1 - водопровод напорный; 2 - аппарат
направляющий; 3 - ротор; 4 - проточная часть; 5 - уплотнение ротора; 6 маховик; 7 - генератор переменного тока со встроенным выпрямителем и
регулятором напряжения; 8 - рама.
Принцип работы этих электростанций состоит в следующем. Для
создания необходимого напора МикроГЭС комплектуется водоводом
напорным
с
водозаборником.
Водовод
состоит
из
нескольких
быстроразборных секций. Поток поступает из водоема (реки, ручья) через
водозаборник и напорный водовод в направляющий аппарат, далее поток воды
поступает на лопастную систему рабочего колеса и создает на роторе
энергоблока крутящий момент, приводящий во вращение генератор [30].
63
Рисунок 20 – Схема рукавной деривационной электростанции
Для обеспечения энергоснабжения дома в 100 м 2 полезной площади
необходима система автономного электроснабжения на основе рукавной
микро ГЭС рукавного типа, мощность которой будет составлять 12 кВт.
Стоимость такой системы в России в настоящее время составляет 518700
рублей [31].
Достоинства:
1. Основным преимуществом деривационной микроГЭС является
мобильность. Электростанция устанавливается в срок до нескольких часов и в
случае необходимости может быть перенесена в другое место, без применения
специальных транспортировочных механизмов.
2. Небольшой срок изготовления. Простота конструкции данного типа
станций обеспечивает малый срок изготовления и более низкую стоимость по
сравнению с другими типами электростанций.
3. Станция рассчитана на срок работы до 40 лет. Благодаря простоте и
надежности конструкции данной микро ГЭС обеспечивается данный срок
службы.
4. Большая мощность при малых габаритах установки. Габаритные
размеры энергоблока составляют 850х260х295 мм. При данных габаритах
вырабатываемая мощность составляет 3 кВт [30].
Недостатки:
64
1. Необходимость постройки плотины в случае слабого гидравлического
напора. При гидравлическом напоре реки менее 3 м и расходе воды менее 55
л/сек необходима постройка плотины, что приводит к существенному
удорожанию конструкции [30].
2. Русла небольших рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают
зимой. Это говорит о том, что в такие периоды при установке электростанции
на таких реках и ручьях выработка электроэнергии существенно снизится.
2.5.2 Свободнопоточные микрогидроэлектростанции
Данный вид микро ГЭС для выработки электроэнергии использует
кинетическую энергию водяного потока. На данный момент он является
развивающимся в России и не получил широкого применения.
Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция (рисунок 21)
работает следующим образом. Поток воды за счет разности скоростей на
внутренней и внешней стороне лопасти создает подъемную силу, вращающую
лопастные движители и вал низкоскоростного генератора, превращающего
кинетическую энергию вращения гидротурбины в переменный электрический
ток [32]. Для работы данной микро ГЭС необходимая скорость течения
составляет от 1 м/с.
Рисунок 21 – Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция
65
В настоящее время в России ведется разработка свободнопоточных
погружных микро ГЭС и уже созданы первые экспериментальные образцы. Их
стоимость составляет около 1200000 рублей за единицу. Однако при
промышленном производстве данных микро ГЭС их цена будет составлять
около 400000 рублей, при номинальной мощности 12 кВт.
Достоинства:
1. Для работы свободнопоточной погружной микро ГЭС не требуется
проектирование и строительство специальных гидротехнических сооружений,
так как она вырабатывает электроэнергию из кинетической энергии
протекающей воды.
2. Данное устройство имеет небольшие габариты и вес и может быть
быстро доставлено, установлено и запущено в работу в месте эксплуатации без
использования специальных средств [32].
3. Благодаря простоте конструкции установку и эксплуатацию данной
микро ГЭС может осуществлять человек, не обладающий специальными
навыками.
4. К данной микро ГЭС можно подключить потребители общей
мощностью до 5 кВт, при этом себестоимость выработки электроэнергии
будет составлять 1,5 руб/кВт [33].
Недостатки:
1. В данный момент в России свободнопоточные микро ГЭС находятся
в стадии разработки и отсутствуют в продаже, поэтому их приообретение
достаточно проблематично.
2. Во время эксплуатации необходимо периодически очищать установку
от наносимого рекой ила, песка и тины.
3. Русла небольших рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают
зимой. Это говорит о том, что в такие периоды при установке электростанции
на таких реках и ручьях выработка электроэнергии существенно снизится, а
также может повредиться конструкция электростанции.
66
2.5.3 Гирляндные микрогидроэлектростанции
Данный
вид
микрогидроэлектростанций
не
нашел
широкого
применения из-за особенностей конструкции и использования. Он также
преобразует кинетическую энергию водяного потока в электрическую.
Принцип работы гирляндной микро ГЭС (рисунок 22) следующий.
Металлический трос (3) является ротором, на который насажены турбины (4).
По берегам реки трос прикрепляется к подшипникам (1), стоящим на опоре
(2). К одному из подшипников присоединен
вырабатывающий
электроэнергию.
Течение
электрогенератор (5),
реки
вращает
турбины,
прикрепленные к металлическому тросу, который вращает электрогенератор.
Рисунок 21 – Схема гирляндной микро ГЭС
На данный момент в России не производятся микро ГЭС данного типа,
однако существует несколько самодельных установок. Их мощность
составляет от 3 до 10 кВт.
Достоинства:
1. Установка и пусконаладочные работы для запуска данной установки
просты и не требуют большого количества времени.
2. Мобильность установки позволяет в короткие сроки переместить и
запустить ее в работу.
67
3. Установка стабильно вырабатывает электроэнергию при скорости
течения от 1,5 м/с, что позволяет устанавливать ее на тихоходных реках.
4. Для установки и обслуживания данной микро ГЭС не требуется какихлибо специфических знаний и приспособлений.
Недостатки:
1. Русла рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают зимой. В
такие периоды выработка электроэнергии данной электростанцией полностью
прекращается, а также может повредиться конструкция электростанции.
2. При эксплуатации данной ГЭС преграждается река, что делает ее
несудоходной.
3. Посторонний предмет, плывущий по реке, может вывести из строя
электростанцию и нарушить электроснабжение потребителей.
4. Из-за отсутствия производства и ремонтной базы данных микро ГЭС,
в случае поломки какого либо элемента, ремонт может продлиться долгое
время, на которое потребитель останется без электроснабжения.
В ходе анализа было установлено, что среди разновидностей
автономных микрогидроэлектростанций, наиболее оптимальным вариантом
для установки на удаленных объектах, расположенных в центральной части
России является деривационная.
2.6 Электростанции, работающие на местном топливе
Данный тип электростанций наиболее распространен на территории
России. Наличие большого количества древесины и отходов ее переработки,
торфа, органических отходов сельскохозяйственного производства, а также
высокая цена на традиционные энергоносители и проблема доставки их к
месту использования способствовал развитию данной области автономного
энергоснабжения. Принцип работы всех электростанций, работающих на
местном топливе одинаков. Для генерации электроэнергии в них используется
газотурбинный генератор, однако способы получения горючего газа для его
работы различаются.
68
Для
организации
автономного
энергоснабжения
применяются
твердотопливные электростанции и электростанции на биогазе.
2.6.1 Твердотопливные электростанции
Твердотопливные электростанции – это электростанции, работающие на
твердых видах топлива, таких как уголь, торф, сланец, дерево.
Данный вид электростанций начал свое развитие в России в 1930-х,
когда твердотопливные электростанции являлись не только доминирующими,
но чуть ли не единственным способом производства электроэнергии. Большие
природные
запасы
угля,
деревоперерабатывающих
торфа,
древесины,
предприятий
и
а
также
отходы
сельскохозяйственного
производства, активно использовались в энергетике тех времен. Затем, с
развитием
нефте
и
газодобывающей
отрасли
твердотопливные
электростанции были потеснены системами выработки электроэнергии,
работающими на природном газе, бензине или дизельном топливе.
Однако ввиду возрастающей стоимости жидкого и газообразного
топлива, а также проблемы его доставки в отдаленные районы становится
необходимым возрождение твердотопливных электростанций.
Твердотопливные электростанции работают по принципу газификации
твердых видов топлива. Суть этого способа состоит в следующем. На
твердотопливных
электростанциях
устанавливаются
газогенераторы
различной мощности, которые вырабатывают так называемый генераторный
газ
в
результате
сжигания
угля,
древесины,
торфа
или
отходов
сельскохозяйственного производства. В дальнейшем он используется как
топливо для газопоршневые или газотурбинных двигателей, которые приводят
в действие генератор, непосредственно вырабатывающий электричество.
Также, твердотопливные электростанции позволяют утилизировать
получаемое при работе тепло, и преобразовывать его в тепловую энергию.
Такие комплексные установки позволяют одновременно вырабатывать и
электроэнергию, и производить тепло, используемое для отопления зданий, и
69
являются
наиболее
выгодными
для
организации
автономного
энергоснабжения потребителей.
Принцип работы такой установки (рисунок 22) состоит в следующем.
Образование генераторного газа происходит при ограниченном доступе
воздуха как результат неполного сгорания твердого топлива. В бункер (2)
закладывается топливо: дрова, уголь, торф, горючий сланец. Из бункера
топливо поступает в корпус газогенератора (1) в котором происходит
специфическое сгорание топлива и образование генераторного газа.
Вентилятор (8) гонит выработанный генераторный газ из корпуса по
трубопроводам (5) через охладитель и фильтр грубой очистки (6) в фильтр
тонкой очистки (4) и фильтр «Циклон» (3). После этого очищенный газ
попадает в смеситель газа с воздухом (7), а затем поступает в камеру сгорания
газопоршневого генератора. Вокруг корпуса газогенератора, где происходит
процесс пиролиза, устанавливается водяная рубашка или двухконтурная
система охлаждения, которая охлаждает корпус и является частью системы
отопления и горячего водоснабжения [34].
Рисунок 22 – Схема устройства комплексной твердотопливной
электростанции
Для обеспечения электроснабжения дома в 100 м 2 полезной площади
необходима система автономного электроснабжения на основе комплексной
твердотопливной электростанции, электрическая мощность которой будет
70
составлять 6 кВт, тепловая мощность будет составлять 10 кВт. В настоящее
время стоимость такой системы в России составляет 624000 рублей [35].
Достоинства:
1. Получение электроэнергии и тепловой энергии с помощью одной
установки. Если в случае выработки только электрической энергии
необходимо устанавливать для обогрева электрические нагреватели, из-за
которых стоимость проекта увеличивается, то данная система позволяет
обойтись меньшими затратами.
2. При сжигании не образуется сажа или образуется в очень малом
количестве. Пиролизные установки вследствие сгорания древесины и других
видов топлива выделяют в 3 раза меньше вредных веществ и компонентов, чем
традиционные твердотопливные электростанции или мини ТЭЦ. Также из-за
того, что дрова сжигаются полностью, получается очень маленькое
количество пепла в виде пыли по сравнению с обычным сгоранием дров.
3. Высокое значение КПД (до 85…89 %). Это происходит из-за того, что
тепло, являющееся побочным продуктом от выработки пиролизного газа, не
растрачивается
впустую,
а
используется
для
организации
горячего
водоснабжения и отопления потребителя.
4. Длительная работа котла (время между загрузками составляет 8…12
часов и более) и зависит от температуры окружающей среды, размера жилой
площади, мощности и конструкции котла, а также от вида закладываемого
топлива, его размеров и влажности.
5. Возможность регулировки мощности котла, в приделах 30…100 %.
Процессом выработки пиролизного газа легко управлять.
6. Данные устройства используют в качестве топлива не только дрова и
отходы деревообработки, но также и другие твердые горючие материалы,
такие как торф. В некоторых модификациях таких устройств можно сжигать
резину и полимерные изделия с минимальным выбросом в атмосферу вредных
веществ и соединений.
Недостатки:
71
1. Большие габариты котлов. При относительно невысокой мощности
вес установки составляет 1000 кг [36].
2. Для установки и эксплуатации данной установки необходимо
специализированное помещение, в котором будет находиться установка и
запас топлива к ней. Также данное помещение должно иметь хорошую
вентиляцию для поддержания горения топлива и отвода продуктов сгорания
топлива.
3. Высокое требование к влажности дров. Необходимо закладывать
дрова с уровнем влажности менее 20 %. При влажности дров более 20 % КПД
установки снижается [37].
4. Пиролизные установки производятся только одноконтурными. Для
обогрева воды для горячего водоснабжения необходимо дополнительно
устанавливать отдельно стоящее оборудование.
2.6.2 Электростанции на биогазе
Электростанции на биогазе – это электростанции, работающие на газе,
получаемом путем безкислородного брожения биологических отходов. Чаще
всего применяются когенерационные электростанции на биогазе. Они
способны вырабатывать электрическую и тепловую энергию, из-за чего из
КПД больше чем у обычных газовых электростанций и составляет порядка 90
% [38].
Данный вид электростанций появился в России относительно недавно,
однако успел хорошо себя зарекомендовать. На данный момент в центральной
части России функционируют 4 крупных биогазовых электростанции во
Владимирской, Калужской и Белгородской областях.
Также данные
электростанции меньшей мощности используются частными хозяйствами.
Принцип работы данных электростанций следующий. Органические
отходы растительного и животного происхождения загружаются в пункт
приема стоков, где они измельчаются и перекачиваются фекальными насосами
в реактор. В реакторе при установленной температуре сбраживания (38 °С) в
72
бескислородной среде и периодическом щадящем перемешивании при
участии метанобразующих бактерий происходит биохимический процесс
сбраживания с образованием горючего биогаза, основными компонентами
которого являются метан и углекислый газ [39]. Переброженная масса
удаляется из реактора и используется как органическое удобрение, а
выработанный биогаз поступает в хранилище, из которого потом поступает в
газовый двигатель когенерационной электростанции (рисунок 23). Вал
двигателя соединен с валом электрогенератора, который вырабатывает
электроэнергию. Для получения тепловой энергии в контур охлаждения
газового двигателя подключается контур отопительной системы потребителя.
Вода, охлаждая двигатель и отбирая тепло из утилизатора теплоты
отработанных газов, нагревается и обеспечивает потребителя отоплением.
Рисунок 23 – Схема работы когенерационной биогазовой
электростанции
Промышленность производит когенерационные электростанции на
биогазе с номинальной электрической мощностью от 5 кВт и тепловой
мощностью от 12,5 кВт. Этого хватит чтобы обеспечить тепловой и
электрической
энергией
достаточно
крупное
частное
хозяйство.
На
российском рынке существуют такие установки, их стоимость составляет
73
1220000 руб. При этом, как заявляет производитель, срок окупаемости такой
установки будет составлять до 1,5 лет [40].
Достоинства:
1. Доступность сырья. Для получения биогаза используется практически
любые органические отходы, разница состоит лишь в том, какой объем
биогаза получается в зависимости от того, какое сырье используется. Эти
данные приведены на рисунке 24.
Рисунок 24 – Выход биогаза и процентное соотношение метана в нем
при использовании различных органических отходов
2.
Снижение
содержания
органических
отходов.
В
процессе
жизнедеятельности, как человека, так и домашних животных неизбежно
образуются органические отходы. В условиях автономности их переработка и
утилизация представляет проблему, однако при использовании данной
биогазовой установки возможна их переработка в биогаз с последующим
получением тепла и электроэнергии, и удобрения.
74
3. Конечный продукт переработки – метан, является чистым и удобным
топливом. Благодаря его использованию количество вредных выбросов в
атмосферу снижается.
4. В процессе ферментации азот, фосфор, калий и другие ингредиенты
удобрения почти полностью сохраняются, часть органического азота
преобразуется в аммиачный азот, а это увеличивает его ценность.
5. Для биогазового брожения не требуется применение кислорода из
воздуха.
6. Данные установки долговечны. Средний срок службы данной
установки составляет 50 лет [41].
Недостатки
1.
Данные
установки
нуждаются
в
постоянном
техническом
обслуживании, так как находятся под давлением.
2. Первоначальная дороговизна проекта.
3. Установка не является мобильной. Строительство одной установки
занимает около месяца [42].
4. Потребность в большом количестве органических отходов. При
нормальном режиме работы электростанции необходимо в сутки сжечь 100 м 3
биогаза, для чего необходимо переработать 200 кг отходов.
В ходе анализа было установлено, что среди разновидностей
автономных электростанций, работающих на местном топливе, наиболее
оптимальным
вариантом
для
установки
на
удаленных
объектах,
расположенных в центральной части России является твердотопливная
электростанция.
2.7 Выводы
В ходе сравнительного анализа были рассмотрены различные виды
автономных электростанций, работающих по разным принципам и от разных
источников энергии. Также были определены наиболее перспективные для
использования виды автономных электростанций: твердотопливная
75
электростанция
на
местном
топливе,
деривационная
микро
ГЭС,
ветроэлектростанция с вертикальной осью вращения и коллекторная
солнечная электростанция. Данные электростанции являются наиболее
эффективными в каждой из своих групп, однако при выборе их для
автономного электроснабжения необходимо учитывать специфику местности
для получения наиболее оптимального результата.
В данном конкретном случае потребитель, например такой как ЛПХ,
располагается в Глазуновском районе Орловской области. Данный район
обладает следующими характеристиками:
1) среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м составляет 3,2 м/с[43];
2) среднее значение инсоляции составляет 3,5 кВт•ч/м 2 в день [44];
3) количество солнечных дней в году 25 [45];
4) средняя скорость течения рек в данном районе 0,2 – 0,4 м/с [46];
5) район расположен в степной зоне, лесной растительности мало [47].
Исходя из описанных характеристик для организации автономного
энергоснабжения в данной местности наиболее рациональна установка
ветряной электростанции с вертикальной осью вращения с резервированием
от твердотопливной электростанции на местном топливе.
3. Патентный поиск
3.1 Проведение анализа патентов, направленных на разработку
технических решений по созданию автономных систем энергоснабжения,
содержащих нетрадиционные источники электроэнергии для нужд малых
населенных пунктов центрального региона России.
В области разработки технических решений по созданию автономных
систем
энергоснабжения,
содержащих
нетрадиционные
источники
электроэнергии существует большое количество патентов. Проведение
патентного поиска необходимо для получения информации о новейших
технических решениях в области автономных систем энергоснабжения,
76
содержащих нетрадиционные источники электроэнергии. Для выполнения
анализа патентов, направленных на разработку технических решений по
созданию автономных систем энергоснабжения, содержащих нетрадиционные
источники электроэнергии для нужд малых населенных пунктов центрального
региона России необходимо произвести анализ патентов на разработку систем
автономного электроснабжения и патентов на разработку автономных
ветрогенераторов.
Одним из патентов, относящихся к данной тематике является патент RU
2535899C2 на систему автономного электро- и теплоснабжения жилых и
производственных помещений (рисунок 25) [43]. В данном патенте решается
задача повышения надежности, увеличения эффективности работы теплового
насоса и системы в целом, повышение экономичности системы.
Источником электроэнергии является фотоэлектрическая батарея (16),
бесперебойность питания обеспечивается аккумуляторной батареей (21) и
ветрогенераторной установкой (17), заряд батареи (21) от них происходит
через коммутатор (20); источниками тепла являются блок солнечных
коллекторов (10) и ветрогенераторная установка (17), соединенная с
электронагревателем (19). В тепловом аккумуляторе (3), нагреваемый в
коллекторе (10) воздушный поток передает теплоту через контур (12) в
помещение и/или в теплообменник (13) в аккумуляторе (3) с водой. Подача
тепла в отопительные приборы помещения регулируется вентилями (34) и
(35), насосом (25) и тепловым насосом (1), который поддерживает температуру
на выходе его конденсатора, а поток теплоносителя регулируется насосом (25)
и вентилями (34) и (35), контроль подачи тепла потребителям ведется
датчиками температуры. Все датчики тепловой и электрической нагрузок,
исполнительные
механизмы
в
тепловых
контурах
системы
и
их
разобщительная арматура соединены с автоматической системой управления
(41), которая обрабатывает сигналы, определяет алгоритм поведения всех
элементов и вырабатывает сигналы управления.
77
Рисунок 25 - Система автономного электро- и теплоснабжения жилых и
производственных помещений
Достоинством данной системы является наличие 2-х независимых
источников электроснабжения – солнечные батареи и ветрогенератор, и 2-х
независимых источников теплоснабжения – ветрогенератор и солнечный
коллектор. Взаимное резервирование основных источников энергоснабжения
позволяет получать тепловую и электрическую энергию независимо от
погодных условий. Для использования в условиях Глазуновского района
Орловской области описанная система неприменима из-за малого количества
солнечных дней в году и малых значений инсоляции по сравнению с южными
регионами РФ. Также, из-за достаточно малой среднегодовой скорости ветра
– порядка 3,5 м/с, ветрогенераторная установка с горизонтальной осью
вращения
будет
неспособна
выработать
необходимое
количество
электроэнергии.
78
Данный патент представляет интерес в плане концепции организации
бесперебойного
автономного
энергоснабжения
от
нескольких
нетрадиционных источников энергии.
Также представляет интерес патент №RU2563048C1 на солнечно –
ветряную электростанцию высотного базирования (рисунок 26) [44].
Данное изобретение относится к возобновляемым источникам энергии,
в частности к энергиям солнца и ветра. Электростанция содержит: два
подъемных
крыла,
расположенных
друг
над
другом
и
имеющих
аэродинамический профиль ЭСПЕРО, герметичную оболочку по форме
подъемных крыльев, заполненную инертным газом, силовые алюминиевые
стержни, соединяющие в единую жесткую конструкцию два подъемных крыла
и усеченный с двух сторон шар, конфузор-диффузор, встроенный в среднюю
часть внутренней полости усеченного с двух сторон шара, два лопастных
ветродвигателя, расположенных внутри полого цилиндра в средней части
внутренней полости усеченного с двух сторон шара; неподвижный вал
лопастных ветродвигателей, обода лопастей ветродвигателей. Дополнительно
электростанция оснащена пленочными фотоэлектрическими модулями,
расположенными на внешних поверхностях подъемных крыльев. Изобретение
предназначено для бесперебойного получения электроэнергии в районах со
слабыми ветрами и удаленных от традиционной электрической сети.
79
Рисунок 26 - Солнечно – ветряная электростанция высотного
базирования
Принцип работы данной установки заключается в следующем.
Оператор, находящийся в пункте управления установкой в зависимости от
скорости ветра устанавливает рабочую высоту конструкции. За счет
наполнения крыльев конструкции газом, который легче воздуха, конструкция
поднимается на заданную высоту. Благодаря специальной аэродинамической
конструкции крыльев конструкция при любой силе ветра остается на месте, а
расположенный в задней части конструкции усеченный шар с диффузоромконфузором выполняет роль флюгера. Электроэнергия вырабатывается двумя
ветрогенераторами,
установленными
в диффузоре-конфузоре,
который
служит для усиления ветрового потока на ветрогенераторы. Также
электроэнергия вырабатывается солнечными батареями, установленными на
поверхности крыльев и усеченного шара.
Данный способ выработки электроэнергии имеет ряд недостатков. Для
функционирования устройства необходимо иметь отдельное здание в котором
будет находиться вся аппаратура устройства: лебедки, аккумуляторные
батареи и контроллеры. Также необходимо постоянное присутствие оператора
80
для задания рабочей высоты устройства. Устройство достаточно габаритно,
вследствие чего возникнут проблемы с его монтажом и обслуживанием. В
случае
возникновения
повреждения
в
поверхностном
покрове
газонаполненных крыльев конструкции, возможно ее падение, что приведет к
разрушению
конструкции,
а
также
дополнительным
разрушениям
собственности и возможно человеческим жертвам. Также в случае вывода
конструкции
в
ремонт,
потребителю
необходимо
предусмотреть
дополнительный способ энергоснабжения.
Данный патент интересен конструкцией установки для выработки
электроэнергии ветряной электростанцией.
Патент № RU2588613C1 [45] представляет интерес в области
организации автономного бесперебойного электроснабжения отдельных
потребителей. Изобретение относится к сфере альтернативной энергетики и
может быть использовано для электроснабжения отдельных изолированных
потребителей, в частности сельских поселений, коттеджных, дачных поселков,
фермерских
хозяйств,
малых
предприятий
различного
назначения,
отдаленных нефтепромысловых участков.
Ветродизельная система автономного электроснабжения (рисунок 27)
представляет собой систему, в которую входят ветрогенератор, дизельгенератор,
два
выпрямительно-зарядных
устройства,
аккумуляторную
батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора
присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых
подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока.
Система дополнительно содержит распределительное устройство для
подключения электроприемников, датчики мощности ветрогенератора,
дизель-генератора и нагрузки, сумматор, элементы сравнения, задатчики
номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения с
кнопками управления. Входы датчиков мощностей ветрогенератора и дизельгенератора соединены с информационными выходами ветрогенератора и
дизель-генератора соответственно, выходы подключены к входам сумматора,
81
выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения,
второй вход которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки,
который включен между шиной постоянного тока и входом инвертора. Выход
инвертора соединен с входом распределительного устройства и образует шину
переменного тока, распределительное устройство выполнено в виде
коммутаторов, имеющих управляющие входы, которые подключены к
выходам блоков разрешения включения, входы которых соединены с
выходами элементов сравнения по числу электроприемников, первые входы
элементов сравнения подключены к выходам задатчиков номинальных
мощностей электроприемников, вторые подключены к выходу первого
элемента сравнения.
Рисунок 27 - Ветродизельная система автономного электроснабжения
82
Ветродизельная система автономного электроснабжения содержит
ветрогенератор 1, дизель-генератор 2, два выпрямительно-зарядных
устройства 3 и 4, аккумуляторную батарею 5, инвертор 6, причем выходы
ветрогенератора 1 и дизель-генератора 2 присоединены ко входам
выпрямительно-зарядных устройств 3 и 4, выходы которых подключены к
аккумуляторной батарее 5 и образуют шину постоянного тока 7,
распределительное устройство 8 для подключения электроприемников 9,
датчик 10 мощности ветрогенератора, датчик 11 мощности дизель-генератора,
датчик 12 мощности нагрузки, сумматор 13, элементы сравнения 14 и 15,
задатчики 16 номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения
включения 17 с кнопками управления 18, при этом входы датчиков 10 и 11
мощностей
ветрогенератора
и
дизель-генератора
соединены
с
информационными выходами ветрогенератора 1 и дизель-генератора 2
соответственно, выходы подключены к входам сумматора 13, выход которого
соединен с первым входом первого элемента сравнения 14, второй вход
которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки 12, который
включен между шиной постоянного тока 7 и входом инвертора 6, при этом
выход инвертора 6 соединен со входом рапределительного устройства 8 и
образует шину переменного тока 19, распределительное устройство 8
выполнено в виде коммутаторов 20, имеющих управляющие входы, которые
подключены к выходам блоков разрешения включения 17, входы которых
соединены с выходами элементов сравнения 15 по числу электроприемников
9, первые входы элементов сравнения 15 подключены к выходам задатчиков
16 номинальных мощностей электроприемников 9, вторые входы элементов
сравнения 15 подключены к выходу первого элемента сравнения 14.
Блок разрешения включения 17 может быть выполнен в виде порогового
элемента 21 и усилителя 22, на выходе которого включена обмотка реле 23,
снабженного нормально разомкнутым контактом 24. Параллельно обмотке 23
включен обратный диод 25.
83
Если коммутатор 20 реализован в виде магнитного пускателя, то он
содержит обмотку 26 и дополнительный нормально разомкнутый контакт 27.
Нормально разомкнутый контакт реле 24 включен последовательно с
кнопкой управления 18 «Пуск», нормально замкнутым контактом кнопки 28
«Стоп» и обмоткой 26 коммутатора 20. Нормально разомкнутый контакт 27
коммутатора 20 шунтирует контакты кнопки 18 и контакт 24. Для
электропитания блока разрешения включения 17 может быть использовано
напряжение на шине переменного тока 19.
Ветродизельная система автономного электроснабжения работает
следующим образом. Ветрогенератор 1 под действием ветра вырабатывает
электрическую энергию, которая через выпрямительно-зарядное устройство 3
поступает на шину постоянного тока 7. На эту же шину поступает также через
выпрямительно-зарядное устройство 4 электрическая энергия, которую
вырабатывает дизель-генератор 2.
Аккумуляторная батарея 5 выполняет роль накопителя энергии и
обеспечивает работу системы электроснабжения в период безветрия.
Инвертор 6 преобразует напряжение на шине постоянного тока 7 в
переменное напряжение с заданными параметрами на шине переменного тока
19. Это напряжение подается электроприемникам 9 через коммутаторы 20
распределительного устройства 8.
Датчик 12 мощности нагрузки подключен на входе инвертора 6. Это
позволяет упростить процедуру определения активной мощности путем
измерения входных значений напряжения Ud, тока Id инвертора 6 и вычисления
мощности по формуле (3.1):
Рн =  ∙ 
(3.1)
Для исключения аварийных ситуаций, обусловленных перегрузкой
ветрогенератора
1
и
дизель-генератора
электроснабжения осуществляется
2,
в
системе
автономного
оперативный контроль нагрузочной
способности источников электроэнергии с помощью датчиков мощности 10 и
11 ветродвигателя 1 и дизель-генератора 2. Выходные сигналы этих датчиков
84
подаются
на
входы
сумматора
13,
который
формирует
сигнал,
пропорциональный сумме мощностей ветродвигателя 1 и дизель-генератора 2.
Этот сигнал в элементе 14 сравнивается с сигналом, который пропорционален
мощности, потребляемой электроприемниками 9 от инвертора 6.
Таким образом, на выходе элемента сравнения 14 формируется сигнал,
который пропорционален запасу мощности, по формуле (3.2):
∆Р = Р1 + Р2 − Рн,
где
(3.2)
P1 - мощность, развиваемая ветрогенератором 1, кВт;
Р2 - мощность, развиваемая дизель-генератором 2, кВт;
PH - мощность, потребляемая электроприемником 9 от инвертора 6, кВт.
На один вход каждого элемента сравнения 15 поступает сигнал с выхода
элемента сравнения 14, на другой - сигнал задатчика 16 номинальной
мощности соответствующего электроприемника 9.
Блок
разрешения
включения
17
выдает
сигнал
на
запуск
соответствующего электроприемника 9, если выполняется условие (3.3):
∆Р − Рном.к > Рв ,
где
(3.3)
Рном.К - номинальная мощность k-го электроприемника 9, кВт;
Рв - некоторая наперед заданная величина мощности, кВт.
Значение мощности Р0 задается пороговым элементом 21. Если запас
мощности в системе автономного электроснабжения превышает пороговое
значение Р0, то на выходе порогового элемента 21 появляется сигнал, который
через усилитель 22 подается на обмотку реле 23. Контакт 24 замыкается и
подготавливает цепь питания обмотки коммутатора 26 к включению.
После нажатия кнопки «Пуск» 18 обмотка 26 запитывается, коммутатор
20 подключает соответствующий электроприемник 9 к шине переменного тока
19. Контакт 27 ставит цепь питания обмотки 26 на блокировку. Обесточивание
обмотки 26 и отключение коммутатора 20 происходит только при нажатии
кнопки 28 «Стоп».
Таким образом, за счет контроля нагрузочной способности источников
электроэнергии исключаются ситуации, когда одновременно включаются
85
мощные электроприемники 9, при которых происходит перегрузка системы
автономного электроснабжения. При этом разделение во времени пусковых
режимов мощных электроприемников 9 позволяет уменьшить установленную
мощность электрогенерирующего оборудования (ветрогенератор 1, дизельгенератор 2) и емкость аккумуляторной батареи 5, что способствует снижению
стоимости системы электроснабжения.
Достоинствами
данной
системы
являются
в
первую
очередь
гарантированность и непрерывность электроснабжения потребителей в случае
выхода одного из генерирующих устройств из строя. Также достоинством
является автоматизированная система управления генерируемой мощностью,
благодаря которой возможна реализации системы управления потребителями
электроэнергии для компенсации суточных пиковых нагрузок и создания
равномерного графика электрических нагрузок.
Среди недостатков данной системы можно отметить сравнительно
высокую стоимость топлива и необходимость наличия топливохранилища для
дизель-генераторной установки, а также сложности с пополнением запасов
топлива при дислокации системы в отдаленном районе. Также в данном
патенте не рассмотрена возможность использования тепла от нагрева дизельгенераторной установки для целей отопления помещений потребителя.
Резюмируя итоги проведения патентного поиска можно сказать о том,
что данный вопрос остается актуальным и существует много различных
технических решений по созданию автономных систем энергоснабжения,
содержащих нетрадиционные источники электроэнергии для нужд малых
населенных пунктов. Однако при большом количестве различных технических
решений достаточно сложно выбрать одно из них для реализации конкретной
задачи, поэтому необходимо выделить наиболее применяемые и полезные
компоненты для создания требуемой системы.
В
качестве
основы
модернизируемого
технического
решения
используется схема автономного гарантированного электроснабжения патента
№ RU2588613C1 на ветродизельную систему автономного электроснабжения.
86
Данный
патент
интересен
автоматизированной
системой
управления
нагрузкой. Для улучшения данной системы предлагаются следующие
варианты. Вместо дизель-генераторной электростанции, вырабатывающей
только электроэнергию и работающей на дорогостоящем дизельном топливе,
предлагается установка энергопроизводящей печи длительного горения
«Вартовчанка» (рисунок 28) [46].
Рисунок 28 - Энергопроизводящей печи длительного горения
«Вартовчанка»
Данное устройство относится к бытовым отопительным системам и к
оборудованию, использующему в процессе горения твердого топлива горячую
паровоздушную смесь, а также к оборудованию, преобразующему выделяемое
тепло в электричество, при помощи теплового двигателя Стирлинга и
работающего с ним в комплексе электрогенератора. Таким образом, установка
данной
печи
решает
вопросы
тепло-
и
горячего
водоснабжения,
электроснабжения бытовых электроприемников и приготовления пищи. При
этом печь работает на любом твердом топливе - угле, дровах, топочном торфе,
пеллетах и др., температура горения которого в
87
топке составляет 600 °С и выше, что позволят существенно снизить расходы
на приобретение горючих материалов.
Также
вместо
используемого
в
системе
ветрогенератора
с
горизонтальной осью вращения предлагается ветряная электростанции
высотного базирования с ветрогенератором с вертикальной осью вращения
мощностью 9 кВт (рисунок 29) на основе солнечно – ветряной электростанции
высотного базирования [45].
Рисунок 29 - Ветряная электростанции высотного базирования с
ветрогенератором с вертикальной осью вращения
88
Принцип работы данной системы следующий. На воздушный шар (поз.
9), наполненный газом легче воздуха, устанавливается алюминиевый обруч
(поз. 11) к которому с помощью тросов (поз. 10) прикрепляется ветрогенератор
, состоящий из электрогенератора (поз. 5) и лопастей (поз. 6), вращающихся
на валу (поз. 7). Выработанная электроэнергия передается на ввод (поз. 4) в
здание (поз. 3) по кабелю (поз. 12). Регулировка высоты подъема происходит
благодаря лебедкам (поз. 1). Удержание системы на одном месте производится
с помощью тросов (поз. 2), прикрепленных к лебедкам (поз. 1) с одной стороны
и кольцам (поз. 8) алюминиевого обруча (поз. 11) с другой стороны.
Предлагаемая система отличается рядом преимуществ по сравнению с
солнечно – ветряной электростанцией высотного базирования. Во-первых, в
регионах с малым количеством инсоляции использование солнечных панелей
нерационально и ведет к удорожанию и утяжелению конструкции. Во-вторых,
система стабилизации положения воздушного шара в воздухе с помощью
тросов обеспечивает более надежную фиксацию шара, чем система с
воздушными крыльями профиля ЭСПЕРО. Также из-за использования
нескольких тросов предотвращается закручивание шара в какую-либо
сторону. В-третьих, использование ветрогенератора с вертикальной осью
вращения позволяет повысить КПД установки, поскольку при любой скорости
ветра, большей 1 м/с, и любом направлении ветра генератор будет
вырабатывать электроэнергию. Также возможно подключение к данной
установке
системы
автоматизированного
управления,
которая
будет
регулировать высоту поднятия системы в зависимости от требуемой скорости
ветра.
Таким образом, в изначально рассматриваемой ветродизельной системе
автономного электроснабжения, изменяются энергогенерирующие устройства
с ветрогенератора с горизонтальной осью вращения и дизель-генератора на
ветряную электростанцию высотного базирования с ветрогенератором с
вертикальной осью вращения и энергопроизводящую печь длительного
89
горения «Вартовчанка». Также возможна модернизация самой системы
контроля вырабатываемой мощности и распределения нагрузки в плане
замены всех логических элементов, например сумматоров, элементов
сравнения
и
т.д.,
программируемым
логическим
контроллером
для
уменьшения габаритов и повышения надежности системы. Исходя из этого,
структурная схема предложенной системы выглядит следующим образом
(рисунок 30).
Рисунок 30 – Структурная схема системы автономного
электроснабжения с ветряной электростанцей высотного базирования с
ветрогенератором с вертикальной осью вращения и энергопроизводящей
печи длительного горения «Вартовчанка»
Система автономного электроснабжения с ветряной электростанцей
высотного базирования с ветрогенератором с вертикальной осью вращения и
энергопроизводящей печи длительного горения «Вартовчанка» содержит
90
ветрогенератор с вертикальной осью вращения высотного базирования 1,
энергопроизводящую печь длительного горения «Вартовчанка» 2, два
выпрямительно-зарядных устройства 3 и 4, аккумуляторную батарею 5,
инвертор 6, причем выходы ветрогенератора 1 и печи длительного горения 2
присоединены ко входам выпрямительно-зарядных устройств 3 и 4, выходы
которых подключены к аккумуляторной батарее 5 и образуют шину
постоянного
тока,
шину
переменного
тока
для
подключения
электроприемников 10, датчик 11 мощности ветрогенератора (трансформатор
тока и напряжения), датчик 12 мощности генератора печи (трансформатор
тока и напряжения), датчик 13 мощности нагрузки (трансформатор тока и
напряжения), программируемый логический контроллер 7, контакторы 9 для
коммутации электроприемников в сеть, автоматические выключатели 8 для
защиты цепей питания электроприемников.
Данная система автономного электроснабжения работает следующим
образом. Ветрогенератор 1 под действием ветра вырабатывает электрическую
энергию, которая через выпрямительно-зарядное устройство 3 поступает на
шину постоянного тока. На эту же шину поступает также через
выпрямительно-зарядное устройство 4 электрическая энергия, которую
вырабатывает генератор печи длительного горения 2. Аккумуляторная батарея
5 выполняет функцию накопителя энергии и обеспечивает работу системы
электроснабжения в период безветрия.
Инвертор 6 преобразует напряжение на шине постоянного тока в
переменное напряжение с заданными параметрами на шине переменного тока.
Это напряжение подается электроприемникам 10 через коммутаторы 9
распределительного устройства.
Датчик 13 мощности (трансформаторы тока и напряжения) нагрузки
подключен на выходе инвертора 6. Это позволяет упростить процедуру
определения активной мощности путем измерения входных значений
напряжения Ud, тока Id инвертора 6 и вычисления мощности по формуле (3.4):
Рн =  ∙ 
(3.4)
91
Для исключения аварийных ситуаций, обусловленных перегрузкой
ветрогенератора
1
и
дизель-генератора
2,
в
системе
автономного
электроснабжения осуществляется оперативный контроль нагрузочной
способности источников электроэнергии с помощью датчиков мощности
(трансформаторы тока и напряжения) 11 и 12 ветрогенератора высотного
базирования 1 и печи длительного горения 2. Выходные сигналы этих
датчиков подаются на входы программируемого контроллера 7. Полученные
данные
сравниваются
с
данными
о
мощности,
потребляемой
электроприемниками 10 от инвертора 6.
Таким образом, в контроллере вычисляется запас мощности по формуле
(3.5):
∆Р = Р1 + Р2 − Рн,
где
(3.5)
P1 - мощность, развиваемая ветрогенератором 1, кВт;
Р2 - мощность, развиваемая печью длительного горения 2, кВт;
PH - мощность, потребляемая электроприемниками 10 от инвертора 6,
кВт.
Контроллер
выдает
сигнал
на
запуск
соответствующего
электроприемника 10, если выполняется условие (3.6):
∆Р − Рном.к > Рв ,
(3.6)
где Рном.К - номинальная мощность k-го электроприемника 10, кВт;
Р0 - некоторая наперед заданная величина мощности, кВт.
Значение мощности Р0 задается программно в контроллере. Если запас
мощности в системе автономного электроснабжения превышает значение Р 0,
то контроллер выдает сигнал, который подается на катушку контактора 9.
Таким образом, за счет контроля нагрузочной способности источников
электроэнергии исключаются ситуации, когда одновременно включаются
мощные электроприемники 10, при которых происходит перегрузка системы
автономного электроснабжения. При этом разделение во времени пусковых
режимов
мощных
электроприемников
10
позволяет
уменьшить
установленную мощность электрогенерирующего оборудования
92
(ветрогенератор 1, печь длительного горения 2) и емкость аккумуляторной
батареи 5, что способствует снижению стоимости системы электроснабжения.
3.2 Исследование теоретической возможности использования системы
автономного электроснабжения с ветряной электростанцей высотного
базирования с ветрогенератором с вертикальной
осью вращения и
энергопроизводящей
«Вартовчанка»
организации
печи
длительного
автономного
горения
энергоснабжения
удаленных
для
потребителей
центральных регионов России
Организация энергоснабжения удаленных потребителей центральных
регионов России на сегодняшний день является одной из основных проблем в
сфере энергетики. Учитывая климат данных регионов потребителям
необходимо как электро-, так и тепло-, и горячее водоснабжение.
Система автономного электроснабжения с ветряной электростанцей [43]
и энергопроизводящей печью длительного горения позволяет организовать
автономное энергоснабжение удаленных потребителей центральных регионов
России.
Для примера рассмотрим установку данной системы в ЛПХ,
располагающемся
в
Глазуновском
районе
Орловской
области,
и
проанализируем ее работу в течение года.
Зимой расход электроэнергии и тепловой энергии в рассматриваемом
ЛПХ
будет
достаточно
высокий,
однако
совместное
использование
ветрогенератора с печью длительного горения позволит решить данную
проблему. Зимой среднесуточная скорость ветра на высоте 10 метров
составляет 3 м/с [44]. Это позволит ветрогенератору вырабатывать
электроэнергию для питания потребителей дома и ЛПХ. Также использование
печи длительного горения позволит вырабатывать тепловую энергию для
отопления дома и электрическую энергию для питания потребителей дома. В
качестве топлива для данной печи можно использовать бытовые отходы и
отходы сельскохозяйственной деятельности. Весной среднесуточная скорость
93
ветра падает и составляет 2 м/с [44]. Этого достаточно для того, чтобы
ветрогенератор обеспечивал электроснабжение потребителей дома и ЛПХ. По
мере увеличения температуры количество потребителей электроэнергии будет
снижаться. Так, например, к середине весны не будет необходимости в
использовании подогрева почвы в теплице. За счет снижения количества
потребителей электроэнергии и повышения температуры окружающего
воздуха печь длительного горения будет постепенно выводиться из работы и
к концу весны энергоснабжение потребителей ЛПХ будет представлено
только электроснабжением их от ветрогенератора. Летом среднесуточная
скорость ветра составляет 1-2м/с [44]. Такая скорость ветра позволит
ветрогенератору вырабатывать достаточное количество электроэнергии для
электроснабжения
всех
электропотребителей.
Осенью
среднесуточная
скорость ветра составляет 2-3м/с [44]. Из-за понижения температуры
постепенно будет вводится в работу печь длительного горения для отопления
Выработанная электроэнер
и восполнения увеличившихся расходов электроэнергии (рисунок 31, 32).
Рисунок 31 - Годовой график выработки электрической энергии
94
Вырабатывамая тепловая энер
0,25
0,2
0,15
Ряд1
0,1
0,05
0
1 19 37 55 73 91 109 127 145 163 181 199 217 235 253 271 289 307 325 343
Сутки
Рисунок 32 – Годовой график выработки тепловой энергии для
обеспечения нужд отопления и горячего водоснабжения
Таким
образом,
в
выбранная
система
позволят
обеспечивать
круглогодичное автономное энергоснабжение удаленного потребителя.
Наличие двух источников энергоснабжения позволит выводить один из них в
текущий ремонт в переходные периоды весны и зимы без перерыва в
энергоснабжении за счет использования другого.
3.3 Оценка рациональности выбранной системы
Рациональность установки данной системы определятся в первую
очередь необходимостью автономного обеспечения как электро- так и
теплоснабжения удаленного потребителя. Использование данной системы
позволят
полностью
отказаться
от
централизованного
электро-
и
теплоснабжения. Также исходя из природного потенциала выбранной
местности, данная система является единственным оптимальным решением.
Выбранная
система
позволяет
максимально
полностью
использовать
природный потенциал данной местности.
Однако
кроме
выбора
оптимального
технического
решения
немаловажным для установки данной системы является экономический
аспект. Для того чтобы оценить рациональность установки данной системы с
95
экономической стороны необходимо произвести технико-экономический
расчет [47].
Технико-экономической расчет представляет собой расчет срока
окупаемости после установки данной системы. Расчет срока окупаемости
осуществляется по формуле (3.7):
R
То = о,
(3.7)
П
где
ТО – срок окупаемости общих капитальных вложений, лет;
КО - общая сумма капитальных вложений, тыс. руб.;
П – прибыль, полученная от капитальных вложений в процессе
производства электроэнергии, тыс. руб/год.
Капитальные затраты на внедрение техники определяется по формуле
(3.8):
Ко = Ц + Д + М,
где
(3.8)
Ц - цена техники, тыс.руб.;
Д - расходы на доставку (3-6 % от стоимости товара), тыс. руб.;
М – монтаж (0,7 % от стоимости товара), тыс. руб.
При стоимости ветрогенератора 2 840 тыс. руб. и стоимости печи
длительного горения 624 тыс. руб. капитальные затраты на внедрение
оборудования составят
Ко = 280 + 142 + 19,88 + 624 + 31,2 + 4,368 = 3661,448 [тыс. руб.].
Прибыль,
полученная
от
капитальных
вложений
в
процессе
производства электроэнергии определяется по формуле (3.9):
П=
эл.год∙Цэл.+тепло.отоп.период∙Цтепло
1000
,
(3.3.3)
Годовая прибыль, полученная от капитальных вложений в процессе
производства электроэнергии при цене 5 руб/кВт•ч и 1803,25руб/Гкал [48],
составляет:
П=
9304,79∙5+25,41∙1803,25
= 92,34.
[тыс. руб. ]
1000
96
Таким образом срок окупаемости общих капитальных вложений на
установку автономной системы для энергоснабжения ЛПХ 2-го типа с жилым
домом, площадью 100м2 составит:
3661,448
= 39,65.
То =
92,34
[лет]
4. Проектирование и разработка ветрогенераторной электростанции
4.1 Расчет генератора для ветроэлектростанции высотного базирования
Разработка синхронного генератора на постоянных магнитах для
ветряной электростанции высотного базирования велась согласно следующего
технического задания:
1. номинальная мощность Р2 = 10 кВт;
2. номинальное напряжение U = 380 В;
3. номинальная частота f1 = 50 Гц;
4. число фаз m = 3;
5. число пар полюсов 2p = 30;
6. высота оси вращения h = 450 мм;
7. система охлаждения IC0141;
8. способ монтажа IM1001.
4.2 Определение главных размеров
Для расчета синхронного генератора на постоянных магнитах
необходимо определить его расчетную мощность, фазные токи, напряжения,
коэффициент мощности [49].
Расчетная мощность генератора считается по формуле (4.1):
P=P ∙
kн
,
(4.1)
2 cosφ
где
Р2 – мощность на валу генератора, Вт;
97
kн – коэффициент, зависящий от индуктивного сопротивления рассеяния
обмотки статора и коэффициента мощности нагрузки [50].
Для синхронных генераторов cos составляет 0,8 , тогда sin составляет
0,6 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора хσ составляет 0,12
[51]. Значение коэффициента предварительно считается по формуле (4.2):
кн = √cosφ2 + (sinφ + хσ)2
(4.2)
кн = √0,82 + (0,6 + 0,12)2 = 1,076.
Предварительное значение КПД [51].
η' = 0,8 о.е.
Расчетное фазное напряжение считается по формуле (4.3):
U1н
Uф =
Uф =
380
,
(4.3)
√3
= 220.
[В]
√3
Расчетный фазный ток считается по формуле (4.4):
IФ =
IФ =
P2н
(4.4)
3U1н∙η∙cosφ′
10000
3∙380∙0,8∙0,8
= 13,7.
[А]
Расчетная мощность считается по формуле (4.2.5):
P′ =
P′ =
m∙к н∙IФ ∙Uф
cosφ′
,
3 ∙ 1,076 ∙ 13,7 ∙ 220
= 12,16.
0,8
(4.2.5)
[кВт]
Высота оси вращения принимается:
h = 450 мм.
Наружный диаметр корпуса считается по формуле (4.6):
Dкорп = 2h
Dкорп = 900.
(4.6)
[мм]
Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора.
Dн1max = 850.
[мм]
98
Выбираем наружный диаметр сердечника статора:
99
[мм]
Dн1 = 850.
Предварительное значение линейной нагрузки статора по [51]:
А1’ = 475.
[А/см]
Предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре при
номинальном режиме работы генератора по [51]:
Вб’ = 0,8.
[Тл]
Внутренний диаметр статора считается по формуле (4.7):
Di = 0,7 Da − 3,
(4.7)
Di = 0,7 ∙ 850 − 3 = 592.
[мм]
Обмоточный коэффициент по [51]:
коб = 0,92.
Коэффициент формы поля по [51]:
кв = 1,11.
Коэффициент полюсной дуги по [51]:
α’ = 0,69.
Полюсное деление считается по формуле (4.8):
τ=
τ=
π∙Di
2p
3,14∙592
,
(4.8)
[мм]
= 62.
30
Расчетная длина сердечника статора считается по формуле (4.9):
l=
l=
61000000∗P′
D12∙n1∙A1∙В б ∗α′ ∙к в∙коб1
61000000∗12160
5922∙100∙475∙0,8∙0,69∙1,11∙0,92
,
= 79.
(4.9)
[мм]
Активная длина сердечника статора приравнивается к расчетной длине
сердечника статора:
lc = l = 79.
[мм]
4.3 Расчет постоянных магнитов и геометрических размеров ротора
В проектируемом синхронном генераторе выбран ротор коллекторного
типа с призматическими магнитами на основе неодим – железо – бора (NdFeB)
100
намагниченными тангенциально. У данного типа ротора магнитный поток
позволяет изготовить полюса шихтованные[50].
Характеристики магнита по данным ООО «Компонент СПб» [52]: код
магнита (NdFeB).N46H,
остаточная магнитная
индукция
составляет
1,33…1,39, коэрцитивная сила индукции составляет 950 кА/м [52].
Ротор (индуктор) коллекторного типа состоит из магнитомягких
полюсов в виде сегментов, между которыми расположены призматические
магниты,
намагниченные
в
тангенциальном
направлении.
Магниты
устанавливаются внутренними торцами на немагнитную втулку таким
образом, чтобы их полярность была одинаковой.
Расчет постоянных магнитов заключается в определении необходимых
геометрических
параметров
магнитов
(длина,
ширина,
высота)
удовлетворяющих условиям работы генератора (рисунок 33).
Рисунок 33 – Эскиз магнита
Коэффициент,
учитывающий
падение
магнитного
напряжения
вмагнитной цепи в долях МДС реакции якоря:
βi = 1,2.
Коэффициент рассеяния магнита в режиме холостого хода для 2p = 30
по экстраполяции:
σ0 = 1,2.
Коэффициент приведения МДС реакции якоря по продольной оси к
МДС возбуждения:
kad = 0,82.
101
Индукция при х.х. в нейтральном сечении магнита считается по формуле
(4.10):
Вмо = 0,8•Вr,
(4.10)
Вмо = 0,8•1,35 = 1,147.
[Тл]
Напряженность поля в магните считается по формуле (4.11):
Нмо = 0,5•Нс,
(4.11)
Нмо = 0,5•950 = 475.
[А/м]
Ширина магнита предварительно считается по формуле (4.12):
bm = 0,5 ∗ (0,65 − α) ∙ D1,
(4.12)
bm = 0,5 ∙ (0,65 − 0,1) ∙ 592 = 162,8.
[мм]
Объем магнитов считается по формуле (4.13):
0,225∙P'∙βi∙σ0∙kad∙kкз
V =
м
(4.13)
cosj' 2 sinj'
kв∙f∙Bмо∙Нмк∙103∙√1-(
Vм =
,
kкз
) -k
кз
0,225 ∙ 12160 ∙ 1,2 ∙ 1,2 ∙ 0,82 ∙ 3
= 0,00038. [м3]
0,8
0,6
1,11 ∙ f ∙ 1,147 ∙ 475 ∙ 103 ∙ √1 − (
)2 −
3
3
Длина магнита в аксиальном направлении:
lм = lc = 79.
[мм]
hм = 0,01.
[м]
Высота магнита:
Конструктивный коэффициент полюсного перекрытия считается по
формуле (4.14):
αi =
αi =
τ−hм
0,062 − 0.01
0,062
τ
,
(4.14)
= 0,83871.
Воздушный зазор:
δ = 1.
[мм]
Диаметр немагнитной втулки считается по формуле (4.3.6):
Dm = Di − 2δ − 2bм − 2hнб,
(4.15)
102
Dm = 0,592 − 2 ∙ 0,001 − 2 ∙ 0,169 − 2 ∙ 0,002 = 0,25. [м]
103
Высота спинки немагнитной втулки:
hвт = 0,002.
[м]
4.4 Расчет обмотки и магнитопровода статора
При расчёте обмотки статора определяется число пазов статора,
геометрические размеры, число витков в фазе обмотки и сечение проводника.
При этом число витков фазы обмотки статора должно быть таким, чтобы
линейная нагрузка двигателя и индукция в воздушном зазоре как можно более
близко совпадали с их значениями принятыми предварительно при выборе
главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно
равномерное распределение катушек обмотки [50].
Число пазов на полюс и фазу:
q = 2,5.
[шт]
Число пазов статора считается по формуле (4.16):
Z1 = 2p ∙ q ∙ m,
Z1 = 30 ∙ 2,5 ∙ 3 = 225.
(4.16)
[шт]
Зубцовое деление статора считается по формуле (4.17):
tl =
lt
=
π∙D
2p∙q∙m
π∙592
30∙2,5∙3
,
= 8,3.
(4.17)
[мм]
Величина магнитного потока полюса в режиме холостого хода
предварительно считается по формуле (4.18):
Φδо = Bo ∙ lδ ∙ τ ∙ αi,
Φδо = 0,8 ∙ 0,079 ∙ 0,062 ∙ 0,838 = 0,0033.
(4.18)
[Вб]
ЭДС холостого хода, при естественной стабилизации напряжения
считается по формуле (4.19):
Ео = Uф ∙ kн,
Ео = 220 ∙ 1,11 = 244,2.
(4.19)
[В]
Предварительное число последовательно соединенных витков в фазе
104
обмотки статора считается по формуле (4.20):
105
Wф =
Wф =
E0
,
(4.20)
4kф ∙k0∙f∙Фδ0
244,2
= 362,32.
4∙1,11∙0,92∙50∙0,0033
[мм]
Число эффективных проводников в пазу считается по формуле (4.21).
При выборе числа параллельных ветвей необходимо, чтобы ток в
параллельной ветви находился в пределах 50…150 А. В нашем случае, а
составляет 1 [51].
Wф ∙a
un =
un =
q∙p
362∙1
3∙15
,
(4.21)
[шт]
= 8.
Принимаем un = 8
Окончательное число витков в фазе считается по формуле (4.22):
un∙q∙p
wф =
wф =
a
8∙3∙15
,
(4.22)
= 360.
1
[шт]
Уточненная величина магнитного потока в режиме холостого хода
считается по формуле (4.23):
о =
Е
4ф ∙∙∙ф
,
244,2
о = 4∙1,11∙0,92∙50∙360 = 0,00332.
(4.23)
[Вб]
Уточняем значение линейной нагрузки считается по формуле (4.24):
А=
1∙∙нф
,
(4.24)
∙∙
А=
225∙8∙13,7
= 13266.
∙0,592∙1
А
[ ]
м
Уточненное значение индукции в воздушном зазоре считается по
формуле (4.25):
о =  ∙

,
(4.25)
1
106
о
= 0,8 ∙
360
= 0,849.
[Тл]
362,32
Сталь примем 2013, толщина листа Δл составляет 0,5
мм.
Коэффициент заполнения пакета сталью кс составляет 0,95 [53]. Принимаем
однослойную всыпную
107
обмотку с мягкими секциями из провода ПЭТ 155 (класс нагревостойкости F),
укладываем в трапецеидальные полузакрытые пазы. Сечение эффективного
проводника определяется исходя из допустимой плотности тока в обмотке. С
точки зрения повышения использования активных материалов плотность тока
должна быть выбрана как можно большей, но при этом возрастают
электрические потери в обмотке. Увеличение потерь приводит, во-первых, к
повышению температуры обмотки и во-вторых, к снижению КПД генератора
[51].
Рисунок 34 – Развернутая схема обмотки статора, количество витков в
обмотке w = 360, количество пар полюсов 2p = 30, число пазов на полюс и
фазу q = 3
4.5 Размер зубцовой зоны статора
При выборе размеров пазов в электрических машинах должны
учитываются
следующие факторы.
Во-первых,
чтобы
площадь
паза
соответствовала количеству и размерам размещаемых в нём проводников
обмотки с учётом всей изоляции. Во-вторых, чтобы значения индукции в
зубцах и ярме статора находились в определённых допустимых пределах,
зависящих
от
типа,
мощности,
исполнения
машины
и
от
марки
электротехнической стали сердечника. В связи с тем, что обмоточный провод
круглого сечения, то он может быть уложен в пазы произвольной
конфигурации. Поэтому размеры зубцовой зоны при всыпной обмотке
выбираем таким образом, чтобы зубцы имели параллельные грани. Такие
зубцы имеют постоянное, не изменяющееся с высотой зубца, поперечное
сечение. Индукция по высоте зубца также не меняется и магнитное
напряжение зубцов с параллельными гранями оказывается меньше, чем
магнитное напряжение трапецеидальных зубцов притом же среднем значении
индукции в них [51].
104
Ширина зубца считается по формуле (4.26):
1 =
0∙
,
(4.26)
∙
где Bz  индукция в зубцах статора, для стали 2013 Bz варьируется в пределах
1,6…1,8 Тл. Примем bz1 равную 0,0045 м.
1 =
0,85∙0,008
1,6∙0,95
= 0,00447.
[м]
Высота ярма статора считается по формуле (4.27):
Ф0
ℎ = 2∙
а∙ ∙
,
(4.27)
где Ва индукция в ярме статора. Принимаем В а = 1,4Тл.
0,0033
ℎ = 2∙1,4∙0,079∙0,95 = 0,0157.
[м]
Высота паза статора считается по формуле (4.28):
 −
ℎ =  −ℎ ,
1
ℎ1 =
2
0,850−0,592
2
(4.28)

− 0,0157 = 0,1133.
[м]
Высота шлица:
hш = 0,5.
[мм]
Среднее значение односторонней толщины изоляции:
bи1  0,25.
[мм]
Предварительное значение ширины шлица считается по формуле (4.29):
ш1 = 0,3 ∙ √ℎ,
ш1 = 0,3 ∙ √132 = 3,44.
(4.29)
[мм]
Принимаем bш1 равную 3,5 мм.
Вид заполненного паза представлен на рисунке 35.
105
Рисунок 35 - Паз статора с изоляцией однослойной всыпной обмотки
1-корпусная изоляция, 2 – прокладка, 3 – провод
Меньшая ширина паза считается по формуле (4.30):
b12 =
b12 =
π(Di+2hш −bш1 )−Z1∙bz1
Z1−π
π∙(0,592+2∙0,0005−0,0035)−360∙0,0045
360−π
,
(4.30)
= 0,00065. [м]
Принимаем b12 равную 0,65 мм.
Большая ширина паза считается по формуле (4.31):
b11 =
b11 =
π(Di +2hn1 )
Z1
π∙(0,592+2∙0,1133)
360
−b z1 ,
(4.31)
− 0,0045 = 0,0026.
[м]
Принимаем b11 равную 2,5 мм.
Площадь поперечного сечения паза в штампе считается по формуле
(4.32):
S
n1
=
b11 +b12
2
∙ (h
−h
n1
ш1
−
b12 −bш1
),
(4.32)
2
106
0,0026 + 0,00065
Sn1 =
2
∙ (0,1133 − 0,0005 −
0,00065 − 0,0035
2
= 186.
) = 0,00019
[мм2]
Припуски на сборку сердечников статора и ротора с h 250 мм. по
высоте h  0,2 мм. по ширине b  0,2 мм. [51].
Площадь поперечного сечения паза в свету считается по формуле (4.33):
S′n1 = (
b11 +b12
2
− b c ) ∙ (hn1 − hш1 −
b12 −bш1
2
− h c ),
(4.33)
0,0026 + 0,00065
− 0,0002)
2
0,00065 − 0,0035
∙ (0,1133 − 0,0005 −
− 0,0002) = 0,00016
2
S′n1 = (
= 163.
[мм2]
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции считается по
формуле (4.34):
Su = bu1 ∙ (2hn1 + b11 + b12),
(4.34)
Su = 0,00025 ∙ (2 ∙ 0,1133 + 0,0026 + 0,00065) = 0,00006,
Su = 60.
[мм2]
Суммарная площадь поперечного сечения прокладок считается по
формуле (4.35):
Sпр = 0,5b11 + 0,75b12,
(4.35)
Sпр = 0,5 ∙ 0,0026 + 0,75 ∙ 0,00065 = 0,00179,
Sпр = 1,79.
[мм2]
Площадь поперечного сечения паза, занимаемого обмоткой считается по
формуле (4.36):
S′′n1 = S′n1 − Su − Sпр,
S′′n1 = 163 − 60 − 1,79 = 101,21.
(4.36)
[мм2]
Количество элементарных проводников n = 3.
Предварительное значение коэффициента заполнения паза k’ n = 0,72.
107
(4.37):
Диаметр изолированного обмоточного провода считается по формуле
108
d′ = √
k′n ∙S′′n1
,
(4.37)
un ∙c
d′ = √
0,72∙101,21
[мм2]
= 1,74.
8∙3
Ближайший стандартизованный диаметр изолированного провода d’
= 1,785 мм., соответствующий ему диаметр неизолированного провода
d=
1,7мм., площадь сечения неизолированного провода S = 2,27мм2.
Коэффициент заполнения паза считается по формуле (4.38):
kn =
kn =
un∙c∙d′2
8∙3∙1,7852
,
(4.38)
S′′n1
[мм2]
= 0,755.
101,21
Плотность тока в обмотке статора считается по формуле (4.39):
J1 =
J1 =
13,7
3∙1∙2,27
Iнф
c∙a∙S
,
(4.39)
= 2,01.
[А/мм2]
4.6 Определение массы, потерь и КПД генератора
При работе синхронного генератора часть подводимой мощности
расходуется на нагрев проводников, перемагничивание сердечника, создание
необходимого для охлаждения потока воздуха, трение вращающихся частей о
воздух, трение в подшипниках и т.д. Эту часть мощности называют потерями,
так как она как бы «теряется» при электромеханическом преобразовании
энергии.
Потери в синхронных машинах подразделяются на потери в стали
(основные
и
добавочные),
электрические
потери,
вентиляционные,
механические и добавочные потери при нагрузке [52].
Масса меди обмотки якоря считается по формуле (4.40):
Mоя = m ∙ Wф ∙ lср ∙ qa ∙ γ м,
(4.40)
где м - плотность меди,  м = 8,3·103 кг/м3;
109
qa - площадь поперечного сечения провода обмотки фазы якоря,
qa = 2,27·10-6 м2.
Mоя = 3 ∙ 360 ∙ 0,079 ∙ 2,27 ∙ 10−6 ∙ 8,3 ∙ 103 = 1,6075.
[кг]
Масса зубцов якоря считается по формуле (4.41):
π
M = [ [(D + 2h
z
i
4
+ 2h )2 − D2] − Z ∙ b
n1
k
i
1
∙ h ] ∙ l ∙ k ∙ γ , (4.41)
11
n1
δ
c
м
где  - плотность стали,  = 7,8·103 кг/м3.
π
M = [ [(0,592 + 2 ∙ 0,1133 + 2 ∙ 0,001)2 − 0,5922] − 360 ∙ 0,0036 ∙ 0,1133]
z
4
∙ 0,079 ∙ 0,95 ∙ 7800 = 62,51.
[кг]
Масса спинки якоря считается по формуле (4.42):
Ma1 = π ∙ (Di + 2hn1 + 2hk + ha ) ∙ ha ∙ lδ ∙ kc ∙ γм
(4.42)
Ma1 = π ∙ (0,592 + 2 ∙ 0,1133 + 2 ∙ 0,001 + 0,016) ∙ 0,016 ∙ 0,079 ∙ 0,95 ∙ 7800
= 24,61.
[кг]
Масса активных материалов статора считается по формуле (4.43):
M1 = Mоя + Mz + Ma1,
M1 = 1,6075 + 62,51 + 24,61 = 88,73.
(4.43)
[кг]
Масса постоянных магнитов считается по формуле (4.44):
Mпм = 2p ∙ bм ∙ hм ∙ Lм ∙ γпм,
(4.44)
где пм - плотность магнита (Nd2Fe14B), пм = 7,5·103 кг/м3.
Mпм = 30 ∙ 0,168 ∙ 0,01 ∙ 0,079 ∙ 7500 = 29,86.
[кг]
Масса полюсов считается по формуле (4.45):
π
2
Mп = ∙ (2 − ( − 2 м)
4
M =
п
π
− 2 ∙ ℎм ∙ м) ∙ м ∙ ст,
(4.45)
∙ (0,5922 − (0,592 − 2 ∙ 0,168)2 − 30 ∙ 0,168 ∙ 0,01) ∙ 0,079 ∙ 7500
4
= 109,13.
[кг]
Масса активных материалов ротора считается по формуле (4.46):
M2 = Mпм + Mп,
M2 = 29,86 + 109,13 = 138,99.
(4.46)
[кг]
Масса активных материалов генератора считается по формуле (4.47):
Mам = M1 + M2,
(4.47)
109
Mам = 88,73 + 138,99 = 227,72.
[кг]
Полная масса генератора считается по формуле (4.48):
Mσ = Mам ∙ кон,
(4.48)
где ккон  1,5 - конструктивный коэффициент для генераторов с
возбуждениемот постоянных магнитов [51].
Mσ = 227,72 ∙ 1,5 = 341,6.
[кг]
Потери и КПД генератора определяются для номинального режима
работы.
Потери в меди обмотки якоря считается по формуле (4.49):
2∙(1,4∙+  )∙ф
 = m ∙ 2
м
нф ∙  ∙  ∙ ( 2∙∙0,000001∙ ),
где o 
(4.49)
1, 75 108 Ом/мм2 (удельное сопротивление меди);. kt  1,2
(температурный коэффициент).
м= 3 ∙ 13,7
2
∙ 0,0000000175 ∙ 1,2 ∙ (2 ∙
(1,4 ∙ 0,062 + 0,079) ∙ 362)
2 ∙ 0,005 ∙ 0,000001 ∙ 1
= 312,643.
[Вт]
Потери в стали ярма якоря считаются по формуле (4.50):
= ∙


2


1
5
(4.50)
∙  ∙ ( ) ∙ 1,
50
где o  1,6 - удельные потери в стали при 50 Гц, к а  1,5 - технологический
коэффициент для спинки якоря, учитывающий увеличение потерь.
= 1,6 ∙ 1,5 ∙
1,42
50
1
5
∙ ( ) ∙ 24,61 = 115,765.
50
[Вт]
Потери в зубцах якоря считаются по формуле (4.51):
 =  ∙ 
∙
2
1

1
5
∙ ( ) ∙ ,
(4.51):
50
где o  1,6 - удельные потери в стали при 50 Гц,
к z  2 - технологический коэффициент для зубца якоря, учитывающий
увеличение потерь [52].
1
110
 = 1,6 ∙ 2 ∙ 1,42 ∙ (50) 5 ∙ 62,51 = 392,06.
[Вт]
50
111
Потери в стали считаются по формуле (4.52):
ст =  + ,
(4.52)
ст = 115,765 + 392,06 = 507,825.
[Вт]
Механические потери считаются по формуле (4.53):
мех = 0,02 ∙  ∙ ,
мех = 0,02 ∙ 10000 ∙ 0,8 = 160.
(4.53)
[Вт]
Добавочные потери, обусловленные высшими гармониками магнитного
поля и вихревыми токами считаются по формуле (4.54):
 = 0,01 ∙  ∙ ,
 = 0,01 ∙ 10000 ∙ 0,8 = 80.
(4.54)
[Вт]
Суммарные потери считаются по формуле (4.55):
Σ = м +  +  + мех + ,
(4.55)
Σ = 312,643 + 115,765 + 392,06 + 507,825 + 160 + 80 =
= 1568,293.
[Вт]
Коэффициент полезного действия генератора считается по формуле
(4.55):
η=
η=
∙
∙+Σ
10000∙0,8
10000∙0,8+1568,293
∙ 100%,
∙ 100% = 84.
(4.55)
[%]
4.7 Расчет ветротурбинной установки для ветроэлектростанции
высотного базирования
Расчет ветротурбинной установки для ветряной электростанции
высотного базирования велась согласно следующего технического задания:
1) Номинальная мощность N = 12000.
[Вт]
2) Среднегодовая скорость ветра Vср.год = 3.
[м/с]
3) Плотность воздуха  = 1,2.
[кг/м3]
4) Общий КПД общ = 0,84.
5) Диаметр ветротурбины D=10.
[м]
112
6)
Коэффициент
ветротурбины
с
5
мощности
лопастями
для
из
вертикальной
симметричного
конструкции
профиля
NACA
восемнадцатипроцентной толщины Ср = 1,5 [54]
7) Половина относительной высоты ветротурбины в долях радиуса
h
h
 3.
R
8) Относительная высота части лопасти: Z = 18, 32
Диаметр ветротурбины считается по формуле (4.56) [54]:

=√
∙3
 ∙
= 7.
1,2∙3 3
1,5∙
2
(4.56)
∙ℎ∙общ
2
13000
=√
,
̅
[м]
∙3∙0,84
Радиус ветротурбины считается по формуле (4.57):

= ,
(4.57)
2
7
 = = 3,5.
2
[м]
Высота ветротурбины считается по формуле (4.58):
ℎ = ℎ̅ ∙ ,
(4.58)
ℎ = 3 ∙ 3,5 = 10,5.
[м]
Частота вращения колеса считается по формуле (4.59):
об =
об =
60∙∙
∙
60∙18,32∙3
=
7∙
,
150,02.
(4.59)
[
об
]
мин
Масса ветроколеса считается по формуле (4.60):
 = (2 ∙ 2 ∙  ∙  + 5ℎ ∙  ∙ ) ∙ ,
(4.60)
 = (2 ∙ 3,52 ∙ 0,005 ∙ 0,2 + 5 ∙ 10,5 ∙ 0,2 ∙ 0,001) ∙ 7900 =
113
= 773,65.
[кг]
Масса всей установки считается по формуле (4.61):
М =  + Mσ,
М = 773,65 + 341,6 = 1115,25.
(4.61)
[кг]
114
Чертеж ветроколеса представлен на рисунке 36.
Рисунок 36 – Чертеж ветроколеса вид сбоку, вид сверху, чертеж
сечения лопасти
4.8 Анализ технических характеристик разработанного ветрогенератора
Для проведения анализа технических характеристик разработанного
ветрогенератора производится сравнение его характеристик с существующим
аналогом WKV-10000
компании
Windwing,
ветрогенераторную установку HF-VAH-10KW
который
входит
в
[55]. Все рассматриваемые
характеристики сведены в таблицу 4.
Таблица 4 – Сравнение ветрогенераторов
Наименование параметра
Номинальная мощность, кВт
Номинальная скорость ветра для
электроэнергии, м/с
Тип генератора
Напряжение на выходе генератора, В
Наличие преобразователя напряжения
Размеры (высота / диаметр), м
Наличие мультипликатора
Высота установки, м
Масса установки, кг
КПД установки, %
Разработанный
ветрогенератор
10
выработки 3
AC, 3 фазный
380/220
нет
10,5/7
нет
10-100
1115
84
WKV-10000
10
13
AC, 3 фазный
24/48
есть
2,1/2
да
10
540 кг.
45
Таким образом, на основании приведенной таблицы можно сделать
вывод о достоинствах и недостатках разработанного ветрогенератора.
115
Достоинства:
1.
Для выработки электроэнергии номинальной мощностью 10 кВт
разработанному ветрогенератору достаточно скорости ветра 3 м/с, в то время
как существующему ветрогенератору необходимо 13 м/с. Малая скорость
ветра необходимая для разработанного ветрогенератора влияет на увеличение
его массы в 2 раза по сравнению с существующим аналогом. Однако для
районов с среднегодовой скоростью ветра 3 м/с разработанный ветрогенератор
сможет обеспечивать выработку электроэнергии в необходимом объеме, в то
время как аналог не сможет.
2. Напряжение на выходе разработанного ветрогенератора составляет
380/220 В, 50 Гц, что позволяет подключать потребителей напрямую к
выходам генератора не используя преобразователи напряжения на которых
теряется
часть
полезной
электроэнергии.
Соответственно
снижается
суммарный КПД разработанной ветрогенераторной установки более высокий.
3. Отсутствие мультипликатора в разработанном ветрогенераторе и
прямое механическое соединение ветротурбины с валом электродвигателя
позволяет добиться высокого уровня КПД из-за отсутствия механических
потерь в мультипликаторе.
4.
Использование
воздушного
шара
с
гелием
для
поднятия
ветрогенератора на необходимую высоту и автоматической системы
управления данной установкой позволяет поддерживать необходимую
скорость ветра и как следствие стабильную выработку электроэнергии. Также
с помощью данной системы управления возможна защита ветрогенератора от
разрушения во время сильного ветра. У существующего аналога высота
установки ограничена, поэтому в случае снижения скорости ветра ниже
необходимой выработка электроэнергии снизится. В случае сильного ветра в
существующей ветроустановке используется электромагнитный тормоз, что
также снижает выработку электроэнергии.
Недостатки:
116
1.
Основными
недостатками
разработанной
ветроустановки
по
сравнению с существующей являются ее габариты и масса. В качестве способа
уменьшения
массы
разработанной
ветроустановки
возможна
замена
конструкционных элементов из металла элементами из пластика.
4.9 Оценочный расчет стоимости разработанной системы
Для оценки стоимости разработанной ветряной электростанции
высотного базирования производится расчет ее ориентировочной стоимости.
Поскольку в данном дипломном проекте не рассматривался вопрос
построения технологической карты производства разработанных генератора и
ветротурбины, невозможно точно оценить их стоимость. Для того чтобы
прикинуть стоимость системы были взяты стоимости изделий, аналогичных
по количественным и качественным показателям.
Таким образом аналогичным разработанному генератору является
электродвигатель WEG20-225S/M-16,5 кВт 750 оборотов В5 WEG W20 цена
которого составляет 80 632,24 рублей [55].
Аналогом
разработанной
ветротурбины
является
вертикальная
ветротурбина Maglev стоимость которой составлет 60000 рублей [55].
Для поднятия конструкции в воздух выбираем привязной азростат Gauss
CCA-D12 стоимостью 1150000 рублей [55]. В комплект поставки данного
аэростата входят лебедка, привязные канаты, автоматическая система
управления аэростатом и система креплений аэростата к земле и полезной
нагрузки к аэростату.
Таким образом, суммарная ориентировочная стоимость разработанной
системы составляет 1291000 рублей.
4.10 Технико-экономическое сравнение разработанной системы с
существующим аналогом
Для проведения технико-экономического сравнения разработанной
системы с существующим аналогом выбираем в качестве аналога мачтовую
115
ветрогенераторную установку HF-VAH-10KW стоимостью 1600000 рублей
[56].
Сравнение
производится
производством
электроэнергии
по
и
структуре
итоговой
затрат,
связанных
себестоимости
1
с
кВт•ч
электроэнергии [57].
Поскольку
технические
характеристики
разработанной
системы
совпадают с характеристиками существующих систем, примем срок ее
эксплуатации равным среднему сроку эксплуатации ветроэнергетических
установок - 15 лет.
Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле (4.62):
A=W/T,
где
(4.62)
А – сумма амортизации в год, руб/год;
W – стоимость оборудования, руб;
Т – амортизационный период (равен сроку службы оборудования), лет.
Амортизационные отчисления для разработанной системы составляют:
А=1291000/15=86066.
[руб./год]
А=1600000/15=106666.
[руб./год]
для аналога:
Для поддержания работоспособности систем в надлежащем состоянии
необходимо
произведения
предусмотреть
работ
по
наличие
обслуживающего
техническому
персонала
обслуживанию
и
для
ремонту
ветроустановок в количестве 1 человек с средней заработной платой 36000
руб./год [58].
Поскольку ветрогенераторные установки достаточно дорогостоящи и
часто работают в достаточно суровых погодных условиях, следует
предусмотреть страхование данного имущества от последствий стихийных
бедствий. Стоимость страхового полиса для данного вида имущества
составляет 800 руб./год [59].
Для произведения работ по техобслуживанию и текущему ремонту
необходим комплект запчастей и материалов. Средняя стоимость затрат по
116
данной статье расходов составляет для разработанной ветрогенераторной
установки 20000руб/год [59], для сравниваемого аналога 22530 руб/год.
Оценочное количество выработанной ветрогенератором электроэнергии
можно рассчитать по следующей формуле (4.9.2):
Р = 0,5 ∗  ∗ т ∗ г ∗  ∗ 2 ∗  ∗ 3,
где
(4.9.2)
Р – оценочное количество электроэнергии, кВт•ч;
ξ – коэффициент использования энергии ветра (для разработанного
ветрогенератора составляет 0,35, для аналога составляет 0,32);
ηт – КПД турбины, % (для разработанного ветрогенератора составляет 1,
для аналога составляет 0,9);
ηг – КПД генератора, % (для разработанного ветрогенератора составляет
0,84, для аналога составляет 0,85);
R – радиус турбины, м (для разработанного ветрогенератора составляет
3,5м, для аналога составляет 3м);
ρ – плотность воздуха, 1,25 кг/м3;
V – скорость ветра, м/с [60].
Расчет
оценочного
количества
выработанной
ветрогенератором
электроэнергии в зависимости от среднемесячной скорости ветра приведен в
таблице 5.
117
Таблица 5 - Расчет количества выработанной ветрогенератором
электроэнергии в зависимости от среднемесячной скорости ветра
Месяц
Среднемесячная
скорость ветра, м/с
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
ИТОГО:
2,5
3,4
3,5
4,5
4,8
6,3
5,7
4,3
6,1
3,9
4
3,7
Расчет количества выработанной
ветрогенератором электроэнергии, кВт•ч
Разработанная
HF-VAH-10KW
установка
244,8368
141,6816
293,6727
169,9418
320,3546
185,3821
680,8702
394,0045
826,3242
478,1755
1868,308
1081,148
1383,73
800,7338
594,0625
343,7708
1695,963
981,4159
443,2213
256,4823
478,1969
276,7219
378,4704
219,0124
9208,0096
5328,47
Расчет структуры затрат, связанных с производством электроэнергии и
итоговой себестоимости 1 кВт•ч электроэнергии представлен в таблице 6.
Таблица
6
-
Структура
затрат,
связанных
с
производством
электроэнергии
Характеристика
Номинальная мощность,
кВт
Суммарная стоимость
оборудования, руб.
Срок эксплуатации, лет
Затраты на амортизацию
оборудования, руб./год
Количество
обслуживающего
персонала, чел.
Заработная плата
обслуживающего
персонала, руб./год
Страхование, руб./год
Материалы, руб./год
Оценочное количество
выработанной
ветрогенератором
электроэнергии, кВт•ч/год
Сумма затрат в год, руб./год
Стоимость 1 кВт•ч
электроэнергии, руб./кВт•ч
Разработанная система
10
HF-VAH-10KW
10
1291000
1600000
15
86066
15
106666
1
1
36000
36000
800
20000
9208,0096
800
22530
5328,47
142866
15,54
165966
31,14
118
По результатам сравнения себестоимости 1 кВт•ч произведенной
электроэнергии
разработанной
ветрогенераторной
установкой
и
промышленным аналогом HF-VAH-10KW можно сделать следующие выводы:
1) Стоимость разработанной системы на 20 % ниже стоимости
существующего промышленного аналога.
2) При одинаковом количестве ремонтного персонала и затратах на его
зарплату, затраты на ремонтные материалы у разработанной системы на 12 %
меньше.
3) За счет отдельных технических особенностей разработанный
ветрогенератор вырабатывает на 73 % больше электроэнергии чем
существующий промышленный аналог при одинаковой скорости ветра.
4) Стоимость электроэнергии вырабатываемой разработанной системой
в 2 раза ниже чем у существующего промышленного аналога.
119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценивая итоги работы можно заключить:
1.
В ходе проведения анализа потребности в электроэнергии
удаленными потребителями ЛПХ 2 типа, определен основной состав и
режимы работы электроприемников данного потребителя, а также рассчитано
необходимое годовое потребление электрической и тепловой энергии,
составившее 9304,79 кВт•ч в год и 25,41 Гкал в год соответственно.
2.
В результате комплексного анализа источников автономного
энергоснабжения удаленных потребителей Центрального региона России и
существующих климатических и географических условий обозначены
основные достоинства и недостатки использования различных источников
автономного энергоснабжения.
В ходе проведения
данного анализа
установлено, что наиболее эффективно в условиях Глазуновского района
Орловской
области
использование
ветрогенераторной
установки
с
вертикальной осью вращения в совокупности с печью длительного горения
«Вартовчанка».
Использование
выбранной
системы
гарантирует
бесперебойное энергоснабжение потребителя в необходимом количестве.
3.
Для выбранной по результатам анализа системы проведены
технико-экономический расчет срока окупаемости, составивший 40 лет, а
также моделирование годового графика выработки тепловой и электрической
энергии на основании метеорологических данных о температуре и скорости
ветра.
4.
Учитывая специфику климатических условий и географического
расположения разработана и рассчитана ветрогенераторная установка,
позволяющая
при
скорости
ветра
от
1
до
3
м/с
обеспечивать
электроприемники потребителя, используя при этом минимальное количество
вспомогательных устройств.
5.
Проведение технико-экономического сравнения выявило наличие
больших преимуществ у разработанной ветрогенераторной установки по
сравнению с существующим на рынке аналогом, таких как меньшая стоимость
120
затрат на оборудование и материалы для дальнейшего ремонта, а также
большее количество вырабатываемой электроэнергии при одинаковых
условиях и т.д. В конечном итоге, совокупность достоинств разработанной
системы отразилась на снижении в 2 раза стоимости 1 кВт/ч выработанной
электроэнергии по сравнению с существующим аналогом.
121
Список литературы
1)
«Государственное
унитарное предприятие республики
Крым
Крымские генерирующие системы»: [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.energysystem-crimea.ru (дата обращения 13.10.2016). Загл. с экрана.
2)
«Фабрика
хобби»:
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://www.hobbywork.ru (Дата обращения 24.10.2016). Загл. с экрана.
3) Кулаков, А.В. Ветроэнергетика в России: проблемы и перспективы
развития [Текст]/А.В. Кулаков// Энергосвет – 2011г. - №5 – с. 37-38.
4) Дураева Е.В. Возобновляемая энергия в России [Текст]/ Учебное
пособие, Москва, 2004. - 49 стр.
5)
«Государственная
энергосбережения
и
информационная
повышения
система
энергетической
в
области
эффективности»:
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gisee.ru (дата обращения
23.11.2016). Загл. с экрана.
6) «Все о мини-ТЭЦ»: [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.gigavat.ru (дата обращения 12.11.2016). Загл. с экрана.
7) «РосТепло.ру – все о теплоснабжении»: [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://www.rosteplo.ru (дата обращения 26.10.2016). Загл. с экрана.
8) Афанасьев, В.А., Развитие ветроэнергетики в странах Скандинавии
[Текст]/ В.А. Афанасьев// Экожурнал – 2014г. - №3 – с.24-27.
9) Лукьянова, Е.А., Лазаревич, А.И., Зеленая энергетика: проблемы и
перспективы развития [Текст]/ Е.А. Лукьянова, А.И. Лазаревич// Экология и
общество – 2005г. - №6 – с.73-76.
10) «Овен – оборудование для автоматизации»: [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.owen.ru (дата обращения 22.09.2016). Загл. с
экрана.
11)
«Multiwood:
[Электронный
ресурс].
Производство
Режим
доступа:
и
поставки,
оборудование»:
http://www.multiwood.ru
(дата
обращения 07.11.2016). Загл. с экрана.
12) Сайт ELEC.RU электротехнический интернет портал: [Электронный
ресурс]. Режим доступа: http://www.elec.ru (дата обращения 15.10.2016). Загл.
с экрана.
122
13) Правила устройства электроустановок [Текст]: Все действующие
разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2008. – 853 с., ил.
ISBN 978-5-379-00766-9.
14)
Воронин
С.М.
Формирование
автономных
систем
электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых
источников энергии: Автореферат дис. док. техн. наук. — Зеленоград: ФГОУ
ВПО АЧГАА, 2009. — 25 с.
15) Методика определения потребности в средствах электроснабжения
для социального развития села утвержденная Приказом от 27.12.2001 г. № 41.
16) Сайт СтудопедиЯ: [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://studopedia.ru (дата обращения 05.02.2017). Загл. с экрана.
17) Сайт БИОfile: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://biofile.ru
(дата обращения 13.02.2017). Загл. с экрана.
18) Сайт онлайн-энциклопедии Википедия: [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://ru.wikipedia.org (дата обращения 21.02.2017). Загл. с
экрана.
19) Сайт группы компаний «Теплый дом»: [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://termoframe.ru (дата обращения 05.02.2017).
20) Сайт компании «Феникс»: [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://fenixsol.ru/tovary (Дата обращения 05.02.2017). Загл. с экрана.
21) Проект МОО "АППР Нау" при финансовой поддержке Европейского
Союза: "Устойчивое социально-экономическое развитие региона путем
эффективного управления природными ресурсами" [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.agencynau.tj (Дата обращения 13.02.2017).
22) Клочков, Д.Е. Сравнительный анализ альтернативных источников
энергии [Текст]/ Д.Е. Клочков// Дневник
науки.
2017.
№5
[].
URL:
http://www.dnevniknauki.ru/images/publications/2017/5/technics/Klochkov.pdf
(дата обращения 11.05.2017). Загл. с экрана.
23) Сайт «Солнечные и геотермальные системы» [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://teplodarom.com (дата обращения 15.04.2017). Загл. с
экрана.
123
24) Хавроничев, С. В., Нетрадиционные возобновляемые источники
энергии [Текст]/С. В. Хавроничев, А. Г. Сошинов, В. С. Галущак/Учебное
пособие, Волгоград, 2015. - 93 стр.
25) Сайт компании «Alteco» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://alteco.in.ua (дата обращения 18.04.2017). Загл. с экрана.
26) Сайт компании «Смарт Системы» [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://asupro.com (дата обращения 18.04.2017). Загл. с экрана.
27) Сайт компании «Солнечная энергоимперия» [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://solarempire.ru (дата обращения 18.04.2017). Загл. с
экрана.
28) Сайт Топливо-энергетический комплекс России [Электронный
ресурс]. Режим доступа: http://nacep.ru/ (дата обращения 27.04.2017). Загл. с
экрана.
29)
Сайт
Аэромастер
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://aeromaster.h12.ru (дата обращения 27.04.2017). Загл. с экрана.
30)
Патент
№2247859
-
Погружная
свободнопоточная
микрогидроэлектростанция / Головин М.П., Встовский А.Л., Головина Л.Н.,
Лимаренко Г.Н., Буханов В.В., Кузьмин С.С. // Бюл. — 2003. — С. 51.
31) Сайт «Энергополис. Новые технологии» [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://latestenergy.ru (дата обращения 09.09.2017). Загл. с
экрана.
32)
Сайт
«GreenVolt»
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://greenvolt.ru (дата обращения 09.09.2017). Загл. с экрана.
33) Клочков, Д.Е., Королева Т.Г. Автономное энергоснабжение
отдаленных ЛПХ центрального региона России [Текст]/ Д.Е. Клочков, Т.Г.
Королева// Дневник науки. 2018. №5 []. URL:
http://www.dnevniknauki.ru/images/publications/2018/5/technics/Klochkov_Korol
eva.pdf (дата обращения 10.05.2018). Загл. с экрана.
34) Сайт «ВВТ-Центр» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.vvt-center.ru (дата обращения 09.09.2017). Загл. с экрана.
35) Сайт «StroyDay.ru Ведущий строительный портал России»
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://stroyday.ru (дата обращения
14.09.2017). Загл. с экрана.
124
36) Сайт компании «RID. Системы энергоснабжения с индивидуальным
решением» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rid-generator-rostov.ru
(дата обращения 14.09.2017). Загл. с экрана.
37) Чернин,
С.Я.,
Биогазовая
электростанция
на
отходах
животноводческого комплекса [Текст]/ С.Я. Чернин, Ю.С. Парубец //
Энергосовет. — 2011. — № 3. — С. 39 — 48.
38) Сайт «Конструкторское бюро Климова – комплексы «Прометей» для
получения жидкого топлива из различных видов сырья и отходов»
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.potram.ru (Дата обращения
28.09.2017).
39) Ахмедова Е. Биогаз. Доходы на отходах. // Современная техника и
технологии. 2012. № 4 []. URL: http://technology.snauka.ru/2012/04/750 (дата
обращения 28.09.2017). Загл. с экрана.
40) Сайт компании «Energy Wind» [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://energywind.ru (дата обращения 07.10.2017). Загл. с экрана.
41) Сайт компании «RealSolar» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://realsolar.ru (дата обращения 17.10.2017). Загл. с экрана.
42) Сайт «World Table» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://worldtable.info (дата обращения 25.10.2017). Загл. с экрана.
43) Сайт «pogoda 360. Погода в России» [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://russia.pogoda360.ru (дата обращения 25.10.2017). Загл. с экрана.
44) Сайт Министерства природных ресурсов и экологии Российской
Федерации [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mnr.gov.ru (дата
обращения 03.11.2017). Загл. с экрана.
45) Патент №2535899 – Система автономного электро и
теплоснабжения жилых и производственных помещений / Букин О.А.,
Сгребнев Н.В., Забильский В.Н. // Бюл.№35 — 2014. — С. 68.
46) Патент №2563048 – Солнечно-ветряная электростанция высотного
базирования/ Голощапов В.М., Баклин А.А., Асанина Д.А. // Бюл.№26 —
2015. — С. 45.
125
47) Патент №2588613 – Ветродизельная система автономного
электроснабжения/ Артюхов И.И., Степанов С.Ф., Ербаев Е.Т., Молот С.В. //
Бюл.№19 — 2016. — С. 87.
48) Сайт «Atlas-Yakutia» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.atlas-yakutia.ru (дата обращения 03.11.2017). Загл. с экрана.
49) Фадеев, С.В., Организация производства и предпринимательство
в АПК: методическое пособие для вузов [Текст]/ С.В. Фадеев/ Ижевск:
Ижевская ГСХА, 2010 – 45 с.
50) Приказ Управления по тарифам Орловской области от 24 ноября
2015г. № 1873-т.
51) Балагуров, В.А., Электрические генераторы с постоянными
магнитами [Текст]/ В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев/ Москва: Энергоатомиздат,
1988.-280с.
52) Проектирование электрических машин: учебник для бакалавров
[Текст]/ под ред. /И. П. Копылов. – 4-е изд., переработанное и дополненное –
Москва: Издательство Юрайт, 2015.-767 с. – Серия :Бакалавр. Углубленный
курс.
53) Гольдберг, О.Д., Проектирование электрических машин. [Текст]/
О.Д.
Гольдберг,
Я.С.
Гурин,
И.С.
Свириденко/
Издание
второе,
переработанное. Москва «Высшая школа». 2001. -264с.
54) Кривцов,
В.С.,
Неисчерпаемая
энергия.
кн.
1
Ветроэлектрогенераторы [Текст]/ В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И.
Яковлев/ Учебник - Харьков. Национальный аэрокосмический институт
«Харьковский авиастроительный институт», Севастополь 2003.-400с.
55) Кривцов,
В.С.,
Неисчерпаемая
энергия.
кн.
2
Ветроэлектрогенераторы/ [Текст]/ В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И.
Яковлев/Учебник - Харьков. Национальный аэрокосмический институт
«Харьковский авиастроительный институт», Севастополь 2004.–519с.
56) Яковлев, А. И., Расчет ветротурбин с вертикальной осью вращения
[Текст]/ А. И. Яковлев, М. А. Затучная. — Учебное пособие по курсовому
проектированию. — Харьков: Национальный аэрокосмический институт
«Харьковский авиастроительный институт», 2002. — 61 с.
126
57)
Единый
тарифно-квалификационный
справочник
работ
и
профессий. Вып.9. Раздел «Ремонт оборудования электростанций и сетей». –
Москва: Омега-Л, 2000. – 256с.
58)
«РЕСО-Гарантия»
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://reso.ru (дата обращения 11.02.2018). Загл. с экрана.
59)
«MirEnergii»
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
http://mirenergii.ru (дата обращения 22.02.2018). Загл. с экрана.
60)
Сайт «pogoda 360. Погода в России» [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://russia.pogoda360.ru (дата обращения 18.04.2018). Загл. с экрана.
127
128
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа