Ветросолнечные гибридные электростанции - практичность в применении альтернативных источников энергии

Обновлено: 18.05.2024

Одной из важнейших проблем, стоящих перед нынешним и будущими поколениями человеческой цивилизации, является необходимость обеспечения себя энергией. Прежде всего - электрической как самой распространённой и наиболее употребляемой.

Способы добычи её давно известны и хорошо освоены. Однако, они небезопасны для природной среды и населения планеты. Угроза глобального изменения климата, загрязнения воды, земли и атмосферы радиоактивными и углеводородными отходами, а также повсеместное истощение энергетических ресурсов заставляет искать альтернативные источники энергии.

Альтернативные и традиционные источники энергии

И они есть. В основе их появления лежит возобновляемая (регенеративная или «зелёная») энергия, получаемая из ресурсов, которые по человеческим меркам являются неиссякаемыми: в основном они возникают вследствие реакций термоядерного синтеза, происходящих на Солнце. Дополнительно к этому имеется внутренняя (геотермальная) энергия Земли, возникающая в недрах нашей планеты за счёт тех же термоядерных реакций. Также за счёт гравитационного воздействия Луны, приводящего к возникновению приливов и отливов, есть возможность использования и этого вида энергии.

В отличие от традиционных источников энергии: каменного угля, природного газа, нефти, торфа, постепенно иссякающих, особенно в местах их длительного и интенсивного использования — эти виды энергоресурсов, представленные альтернативными источниками, практически неисчерпаемы, так как постоянно возобновляются и восстанавливаются естественным природным способом.

Вопрос № 1: Что это за источники?

Энергия, излучаемая Солнцем. Та, что непосредственно воздействует на земную поверхность, и та, что уходит в межзвёздное пространство - солнечный ветер.
Гидроэнергия - один из наиболее используемых источников возобновляемой энергии.
Ветровая энергия, состоящая на службе человека не одно тысячелетие в виде ветряных мельниц и парусов кораблей. Однако процесс её преобразования в электрическую энергию был поставлен на промышленную основу не так давно.
Геотермальное тепло - одно из самых перспективных, но достаточно сложное и сильно локализованное в территориальном плане направление.
Биотопливо в виде древесины, масел растительного происхождения, этанола.

Доля возобновляемой энергии в структуре общемирового потребления энергоресурсов постоянно растёт. Так, в 2018 году она составила 26%. Конечно, значительную часть её составила гидроэнергия, но вместе с тем и увеличивается количество потребляемой ветровой энергии, биотоплива, а также солнечного света и тепла. Нередко в ландшафте пригородной местности можно увидеть ветрогенераторы, огромные площади фотоэлектрических панелей, иногда даже - биогазовые резервуары.

Возникает вполне резонный для неспециалиста вопрос № 2: А каким образом все эти виды преобразуются в электричество?

Развёрнутый ответ на него даётся в следующем разделе.

Устройства преобразования возобновляемых видов энергии в электричество и практика их применения

Наибольший практический интерес в этом плане представляют установки, предназначенные для использования солнечного света и ветровой энергии, как вобравшие в себя самые последние достижения научно-практической мысли.

В отличие от имеющих длительную практику применения топочных агрегатов и гидрогенераторов они достаточно компактны, удобны в использовании и не наносят столь существенного вреда окружающей среде. Эти устройства не требуют значительных капитальных затрат и легко могут быть установлены на незначительных площадях. Кроме того, некоторые из них достаточно мобильны, что позволяет перемещать их на значительные расстояния и использовать там, где отсутствует возможность подключения потребителей к стационарным электросетевым организациям.

Гибридные электростанции 48В для специального оборудования (телекоммуникации, транспорт, ТЭК)

Одной из наиболее удачных разработок последних лет, использующих возобновляемую энергию, являются гибридные электростанции на 48В. Они представляют собой смонтированную на единой платформе систему, включающую в себя:

Солнечные модули.
Аккумуляторные батареи.
Дизельный генератор.
Блок управления.

Такого рода электростанции достаточно компактны, надёжны, весьма удобны в обслуживании и эксплуатации. Установленные на специальной платформе, они достаточно мобильны и могут перевозиться автотранспортом к месту своего назначения. Плюс к этому гибридные электростанции полностью автономны, их работа легко подвергается мониторингу и управлению с помощью обычного мобильного телефона. Также имеется возможность ориентирования солнечных панелей в нужном направлении с помощью лебёдок.

Подобного рода технологическая новинка, произведённая немецкой компанией RID GmbH для питания молдавских телекоммуникационных систем, оказалась весьма интересной для потребителей. Так как может применяться и для электроснабжения транспортных средств (в частности, для зарядки аккумуляторов), и в качестве автономного источника электроэнергии для выполнения монтажных или ремонтных работ. В последнем случае - что очень важно - напряжение 48В обеспечивает электробезопасность работающего персонала.

При необходимости гибридные электростанции можно синхронизировать с питающей сетью при помощи инвертора, что очень удобно и практично в случае нехватки электроэнергии во время пиковых нагрузок или при запуске установок высокой мощности. Кроме солнечных батарей в качестве источников питания активно применяются биологическое топливо и ветрогенераторы.

Монокристаллические и поликристаллические солнечные панели

Солнечная электростанция

Одно из направлений получения возобновляемой энергии - использование солнечного света, завоёвывающего всё большую популярность вследствие «экологической чистоты» и очевидного удобства применения, практически реализуется с помощью солнечных панелей.

Нынешний рынок средств источников альтернативной энергии может предложить покупателям два вида солнечных батарей: монокристаллические и поликристаллические. Их основными техническими характеристиками выступают:

Электрическая мощность элементов.
Уровень напряжения на выходе.
Коэффициент полезного действия.
Физические параметры: габариты и вес.

Монокристаллические модели

Как следует из самого названия, эти панели изготавливают из зёрен монокристаллов кремния, выращиваемых по методу Чохральского, изначально имеющих цилиндрическую форму, но в дальнейшем подвергающихся обработке для получения наилучших эксплуатационных характеристик. Некоторые производители кроме кремния используют химические соединения на основе галлия, индия, меди, селена. На сегодняшний день наиболее эффективным считается арсенид галлия.

Наиболее характерной чертой, отличающей монокристаллические солнечные батареи, является цветовая однородность панели. По сравнению со своими аналогами - поликристаллами — эти изделия отличает:

более высокая цена,
меньший вес и габариты,
повышенная эффективность, составляющая порядка 20-22%,
длительный срок службы - 25 лет и более,
большая степень снижения КПД при нагреве,
высокая степень требовательности к чистоте поверхности.

Подведя итог, можно сказать, что эти устройства мощнее, долговечнее, но требуют оптимальных условий эксплуатации и постоянного обслуживания.

Поликристаллические модели

Данные панели проще в изготовлении, так как производятся из расплавленной кремниевой массы, разливаемой в формы. Получаемые таким образом заготовки разрезаются на квадратные пластины. Готовые к эксплуатации изделия не отличаются внешней однородностью, что можно преодолеть с помощью специального покрытия. Также у них низкий КПД = 14-18%, сильный уровень чувствительности к продолжительному воздействию высокой температуры и необходимость занятия значительного свободного пространства.

В отличие от монокристаллических структур поликристаллические модули значительно дешевле и неприхотливее в обслуживании.

Горизонтально-лопастные и вертикально-лопастные ветротурбины

Ещё одним видом возобновляемой энергии является ветер. Тот самый ветер, который в той или иной степени присутствует в любое время на всей территории Земного шара (есть он и на других планетах Солнечной системы, где так же актуально стоят вопросы его использования межпланетными космическими аппаратами). Силу этой стихии человечество научилось использовать достаточно давно и успешно. Стоит только вспомнить паруса и ветряные мельницы.

В зависимости от положения оси вращения ветряка они подразделяются на горизонтальные и вертикальные установки. Примером первых как раз и является ветряная мельница.

Так как под воздействием резких порывов ветра или при попадании в зону вращения посторонних предметов или птиц имеется высокая вероятность повреждения ветрогенератора, то одним из защитных средств, применяемым в таких случаях, стал защитный корпус в виде прочного цилиндра. Это один из важных элементов ветряной турбины, внутри которого, как правило, располагаются лопасти, вращающиеся под воздействием набегающего потока воздуха.

Несомненными достоинствами подобной установки являются:

Возможность самостоятельного ориентирования с целью поиска максимального потока, в дальнейшем усиливаемого за счёт эффекта возникновения «сопла» внутри цилиндрического корпуса.
Повышенный по сравнению с конструкциями без наличия корпуса КПД.
Простота конструкции.
Надёжность эксплуатации.
Лёгкость обслуживания и ремонта.
Длительный срок эксплуатации.

В случае горизонтально-лопастной ветровой турбины цилиндр располагается горизонтально, при наличии вертикально-лопастной - вертикально. В том и другом случае лопасти вращают генератор, вырабатывающий электрическую энергию. Наиболее популярными моделями являются разработки американской компании Fiddler и голландской The Archimedes (модель «Liam F1»).

Проектирование и сервис

Желание иметь в своём хозяйстве какой-либо источник возобновляемой энергии вполне понятно. Это позволяет сэкономить бюджет и даёт возможность изготовить некоторые элементы нужной конструкции самостоятельно.

И всё же гораздо лучше будет обратиться к специалистам, которые смогут оценить силу и периодичность ветровых потоков, количество и энергетическую мощь солнечных дней в месте потенциальной установки предполагаемого агрегата. В их силах выполнить проект, сделать все необходимые расчёты с учётом действующих тарифов и государственных мер стимулирования альтернативной энергетики.

Они также смогут:

порекомендовать необходимую технику,
подсказать надёжных продавцов,
оказать помощь в выполнении монтажных работ,
обеспечить правильное взаимодействие с компаниями, оказывающими тепло — и электроснабжение.
поставить на должный уровень систему технического обслуживания.

Всё это поможет организовать длительную, надёжную и, что не менее важно, безопасную работу действующих установок по использованию источников возобновляемой энергии с надлежащим уровнем сервиса.

Преимущества, получаемые пользователями возобновляемыми источниками электроэнергии

С целью стимулирования деятельности по эксплуатации установок альтернативной энергетики применяется значительное количество мер поддержки. Так, начиная с 24 июня 2017 года, на территории Российской Федерации вступил в силу утверждённый Правительством «План мероприятий по стимулированию развития генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии с установленной мощностью до 15 кВт».

с «зелёными» сертификатами, служащими документами, удостоверяющими факт генерации возобновляемой энергии;
гарантией технологического присоединения с возмещением его стоимости и заключением долгосрочных контрактов на весь объём вырабатываемой энергии с оплатой по фиксированным ценам;
«системой чистого измерения», что позволяет накапливать кредит на выработанный объём электроэнергии

раскрывает достаточно широкие возможности перед теми, кто желает активно заниматься эксплуатацией устройств по выработке электрической и тепловой энергии из широкого количества альтернативных источников.

Наши сотрудники имеют богатый опыт в осуществлении комплексных решений стабильного электроснабжения объектов заказчика.

По всем возникшим вопросам обращайтесь к нам, заполнив форму на сайте. Наши специалисты в максимально короткие сроки ответят вам.

Гибридные электростанции - это энергетические установки для производства электрической энергии из двух или более источников. Основная сфера использования — объектов, небольших сел и поселков или нескольких населенных пунктов, которые не присоединены с общей энергетической сети. Гибридные электростанции на основе возобновляемых источников энергии используют для производства электрической энергии солнечный свет, ветер. В сочетании с газодизельными генераторами это дает возможность обеспечить непрерывную подачу энергии потребителям независимо от силы ветра, погодных условий и других факторов.

Основным нормативным документом, который регламентирует использование электростанций на базе возобновляемых источников энергии, является группа стандартов ГОСТ 56124=2014, который является аналогом международного регламентирующего документа IEC/TS 62257-1:2003.

Для чего нужны гибридные энергосистемы

Возобновляемые источники энергии и экологически чистая энергетика является сейчас одним из наиболее важных направлений развития энергетических систем России и европейских стран. В Российской Федерации разработана и введена в действие Национальная программа, которая предусматривает развитие локальных энергосетей с использованием экологически чистых источников энергии. Согласно этому документу планируется ввести в действие ветровые и солнечные электростанции, которые бы обеспечивали до 32% от общей потребности в электричества страны.

Электрические установки на возобновляемых источниках энергии могут использовать биологическое сырье (отходы сельскохозяйственного производства, древесные гранулы), а также силу ветра и воды. Последние два ресурса имеют особую актуальность.

Ветрогенераторы от 100 кВт до 1 МВт:

Ветрогенераторы Antaris (BRAUN GmbH) начинают вырабатывать энергию при скорости ветра от 2,2 м/с. Конструкции выполнены из стекловолокна, усиленного армированием, что позволяет эксплуатировать их при штормовых ветрах. Станции отличаются низкими уровнями шумов (43 дБ).

Ветрогенераторы Nothern Power генерируют энергию при ветре 3,5 м/с и более. Для северных регионов предлагается версия 100 ARCTIC, адаптированная к арктическим условиям.

Для регионов со средней годовой скоростью ветра 6 м/с и выше предлагаем ветро-дизельные станции: основным источником энергии выступает ветроэнергетическая установка, в качестве резервного источника - дизель-генератор.

Видео: генерация электроэнергии с помощью ветряной и солнечной элеткростанций

Солнечная электростанция мощностью 50 кВт:

Поликристаллический солнечный модуль TrinaSolar 400 Вт - 153 шт., солнечный инвертор SILA PRO 50000 MH, контроллер заряда - MPPT. Мощность солнечных батарей - 61 кВт. Вес - 5 тонн. Тип АКБ - LifePo4 Liteh 400Ah (18,6 кВт 48В), кабель РКГМ 20 - 300 м. Вырабатывает до 430 кВтч в сутки, а так же накопление энергии до 55 кВтч, подойдёт для использования как совместно с электросетью, так и без нее. Цена с монтажом и ПНР - 4,5 млн руб. Альтернативный вариант солнечной электростанции на 50 кВт на 190 панелях 270-275П (поликристалл Grade A) стоит 2,5 млн рублей.

Но при использовании исключительно возобновляемых источников энергии — солнечного света и ветра — существует риск снижения объемов выработки энергии в течение дня, месяца, года. Связано это с тем, что эффективность их работы напрямую зависит от силы ветра, наличия облаков на небе, сезона и других факторов.

Проблема решается использованием гибридных электрических станций. Особенность этой энергетической установки в том, что она вырабатывает энергию с использованием нескольких ресурсов. Это обеспечивает непрерывность подачи электричества потребителям независимо от внешних факторов.

Управление работой таких станций производится в автоматизированном режиме. Компьютер со специализированным ПО анализирует производительность солнечных батарей и ветроустановок, при необходимости подключает дополнительные мощности в виде дизельных и/или газовых генераторов. Выработанная энергия трансформируется в переменный ток с нужным напряжением и направляется в энергосистему объекта.

Благодаря такому подходу гибридная электростанция получает все преимущества отдельных видов электроустановок. Мощность подобных станций может составлять от 1 кВт для 1 потребителя до сотен киловатт, которых хватает на обеспечение энергией нескольких небольших населенных пунктов.

Основными сферами применения гибридных электростанций, которые работают с использованием нескольких источников энергии, являются:

Энергоснабжение отдельных объектов, которые находятся в удаленной местности и не подключены к общей электрической сети;
Энергоснабжение поселков и групп поселков, для которых вести отдельную линию от общей электросистемы невыгодно или невозможно;
Увеличение объема выработки энергии в энергосети, которая питается от традиционной тепловой электрической станции;
Использование как резервного источника питания при отключении подачи основного питания.

Конструктивные особенности гибридных станций

Гибридная электрическая станция состоит из нескольких блоков:

Модули, которые отвечают за выработку электрической энергии от ветра;
Модули солнечных электростанций или тепловых коллекторов;
Генераторы на биологическом топливе (опционально);
Аккумуляторные батареи для накопления энергии;
Дизельные или газовые генераторы, которые играют роль резервного питания.

Все источники получения электрической энергии в гибридной установке связаны между собой линиями подачи постоянного тока, которые заряжают аккумуляторы. Накопительные батареи обязательно имеют модули защиты от перезаряда и полной выработки заряда, что приводит к их порче.

Напряжение от источников переменного тока (генераторы) преобразуется в постоянный с помощью трансформаторов. Вырабатываемое напряжение, которое подается потребителям, также трансформируется в переменное и приводится к нужному напряжению.

Гибридные системы делятся на несколько разновидностей:

Последовательные. Аккумуляторные батареи заряжаются от возобновляемых источников энергии или генераторов (если нет ветра и солнца). Электричество от аккумуляторных батарей после преобразования к нужным характеристикам направляется в общую энергосистему. Станция может работать в ручном или автоматическом режиме. Плюс такого варианта — простая конструкция. Минус — постепенная деградация аккумуляторных батарей и необходимость в использовании емких накопителей энергии. При поломке инвертора подача тока в электросеть прекращается.
Переключаемые. Электрическая энергия к потребителям подается напрямую от возобновляемых источников, генератора или аккумулятора после прохождения через инвертор. Зарядка батарей осуществляется отдельно по мере их использования. Контроллеры управления самостоятельно подключают нужные модули в зависимости от загрузки и производительности. Такие системы более надежны и имеют высокую гибкость, но сложнее в строительстве и обслуживании.
Параллельные. Подача энергии в электрическую сеть производится от разных источников независимо. Может работать один из источников (при минимальных загрузках) или все сразу (когда нагрузка на энергосистему пиковая). Контроллер производит синхронизацию напряжения в зависимости от источников. Эта конфигурация наиболее эффективна, но требует очень сложных контроллеров управления.

Эффективность и экономическая целесообразность использования гибридных станций

Выгоды от строительства и эксплуатации гибридных электрических станций для конкретных объектов рассчитываются в зависимости от нескольких факторов:

Объем электрической энергии, которые потребляет населенный пункт или производственный объект;
Наличие возобновляемых источников энергии в местности, где используется станция;
Распределение нагрузки среди потребителей;
Наличие транспортной сети для доставки топлива;
Стоимость на топливо в конкретном регионе.

Затраты на капитальное строительство гибридных электростанций на возобновляемых источниках энергии будут достаточно большими, но впоследствии вложенные средства окупаются за счет дешевой эксплуатации. Кроме того, себестоимость выработки энергии с использованием возобновляемых источников ниже, что позволяет снизить цены для потребителей или увеличить рентабельность работы энергетической компании.

Дополнительным плюсом является перспективная экономическая выхода. Очевидно, что стоимость углеводородного топлива постепенно увеличивается во всех странах мира. Это неизбежно приводит и к росту затрат на производство электрической энергии.

Станции, которые производят электричество с помощью возобновляемых источников, практически независимы от цена на дизельное топливо и газ, так как генераторы в них используются только как резервные. Даже если полностью исключить его из схемы подачи энергии, это приведет лишь к падению объемов выработки в определенные моменты, но не более чем на 10-30%.

Выгоды от строительства гибридных электрических станций максимальны при электрификации удаленных объектов. Для прокладки общей энергетической сети к ним нужно учитывать:

Затраты на установку линий электропередач высокого напряжения;
Установку подстанций и трансформаторов;
Монтаж и запуск в эксплуатацию распределительных устройств.

Затраты существенно возрастают по мере увеличения расстояния между электрифицируемым объектом и ближайшей подстанцией, а также из-за сложного рельефа местности. Недостаточный уровень квалификации технического персонала в удаленной местности может стать причиной выхода из строя энергетических сетей, восстановить которые достаточно проблематично.

Гибридные системы позволяют избежать указанных выше недостатков. Автономные станции строятся в непосредственной близости от электрифицируемых объектов, работают в автоматическом режиме, не требуют большого количества персонала для обслуживания.

Гибридные электростанции, которые для выработки энергии используют солнечный свет и силу ветра, являются одним из наиболее перспективных способов электрификации удаленных объектов. Они же используются как резервные и дополнительные в общих сетях электроснабжения во время пиковых нагрузок.

Наиболее эффективными подобные энергетические установки будут в странах с большой территорией и/или сложным рельефом в связи со сложностями и высокой стоимостью прокладки электрических линий.

Однако ученые пришли к выводу, что комплексное их применение в промышленности или частном секторе - намного эффективней, нежели применение этих энергоресурсов порознь. Исходя из таких соображения, на свет и родилась идея создания мобильных ветросолнечных гибридных электростанций, использующих, как вы уже наверно поняли, в качестве энергоносителей - энергию ветра и солнца.

Что же собой представляют ветросолнечные гибридные электростанции?

Данный тип мобильных электростанций - является гибридной системой накопительного инверторного типа, работающей в комплексе как на возобновляемых природных энергоресурсах, коими являются для человечества ветер и энергия солнечного излучения, а также и с использованием жидкого топлива.

Для условий, к примеру, России, а в особенности ее средней полосы, где количество ветряных (пасмурных) и солнечных дней в году примерно одинаково, применение таких гибридных ветросолнечных электростанций небольшой мощности - просто идеальный вариант для его использования в частном секторе.

Такая гибридная электроустановка по выработке электроэнергии, способна обеспечить стабильность ее поступления в сети небольших котеджных поселков, загородных домов и небольшого частного бизнеса. Она также эффективна для обеспечения энергоснабжения различного рода научных и полевых экспедиций, геологоразведочных партий, морских путешествий на яхте под парусами и пр.

Принцип работы и предназначение «гибридных» электростанций

Аккумуляция энергии, полученной от «»первоисточников», в этих энергосистемах - происходит в аккумуляторных батареях, с их напряжением 12 или 24 Вольта. Далее, этот постоянный ток с аккумуляторных батарей станции, посредством инвертора, преобразуется в напряжение 220В силовой электрической сети и частотой тока 50Гц.

Электростанции данного типа предназначаются для энергопотребителей электрических бытовых сетей переменного тока с частотой 50Гц и напряжением в сети 220В, а также потребителей постоянного тока с напряжением 12, 24 и 48 Вольт. Использоваться такие электростанции могут, как в стационарных условиях при их подключении к существующим бытовым электросетям, а также и для условий возникновения аварийных или чрезвычайных ситуаций - в качестве аварийно-резервного источника энергоснабжения.

Гибридная мобильная электростанция

Достоинства и недостатки ветросолнечных гибридных электростанций

Плюсы ветросолнечных электростанций заключаются в следующем:

• Мобильность и оперативность развертывания в любых погодных условиях.

• Возможность стабильности поступления электроэнергии потребителям в минимально необходимом количестве.

• Обеспечение постоянства выходного напряжения в автономной электросети.

• Отсутствие отклонений и скачков напряжения в сети.

• Возможность модернизации вашей электросети под текущие запросы.

• Обеспечение экологических нормативов при охране окружающей среды.

• Минимализм в обслуживании при длительном сроке эксплуатации станции, который примерно составляет 10 - 15 лет.

• Существенное увеличение кпд (коэффициент полезного действия) станции за счет одновременного, оптимального сочетания различных источников своего энергообеспечения - энергии ветра, солнечного излучения и топлива для ДВС (двигатель внутреннего сгорания).

Недостатки ветросолнечных гибридных станций

• Основным, и главным недостатком таких электростанций - является их сравнительно небольшие мощности по обеспечению энергопотребителей, взирая на мобильность самих станций.

При использовании вами гибридной ветроэлектростанции, вам надо знать, что солнечные панели и ветрогенератор по выработке электроэнергии - являются устройствами заряжающими, работающими на аккумуляцию энергии в аккумуляторных батареях станции. В связи с такими обстоятельствами, электроэнергию, полученную посредством ее выработки данными гибридными электростанциями, да впрочем, как и другими способами, также необходимо экономить.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: