Актуальность совместного использования солнечной и ветровой энергии для энергетики малых мощностей

Осадчий Г.Б., инженер


В этом мире всему свое время, и технология (устройство, система), хотя и основанная на аргументированных доказательствах, не пустит корней, и не будет расти (развиваться), если подобно растению, она не будет брошена в землю в нужное время. «Век должен быть подготовлен», — говорят Знающие; и каких-нибудь сорок лет тому назад настоящий материал был бы обречен на саморазрушение собственным содержанием. Но современные достижения в энергетике возобновляемых источников энергии (ВИЭ), несмотря на ежедневные «разоблачения» и насмешки со стороны каждого, связавшего жизнь с традиционной энергетикой (с её многочисленными минусами), растут и усиливаются фактами, если не мудростью и прозрением. То, что тридцать лет тому назад казалось бы просто нелепым, абсурдным, теперь будет выслушано, потому, что теперь достижения энергетики ВИЭ подтверждаются практикой. К несчастью, хотя эффективность технологий энергетики ВИЭ растет с каждым годом, не наступает соответствующего улучшения в сознании части человечества. Распознавания и ответственности не хватает так же, как всегда.


Уже сегодня с ещё порой высокой стоимостью установленного киловатт часа энергетика ВИЭ может быть востребована для энергоснабжения, например, санаторно-курортных комплексов, как отвечающая требованиям для них, по охране окружающей среды, экологии. Потребность в экологически чистом производстве энергии есть всегда.


Кроме того что климат каждой страны вносит свои коррективы в интенсивность развития энергетики ВИЭ, и сами «базовые технологии» энергетики ВИЭ претерпевают изменения с целью более эффективного использования на месте как определенного вида ВИЭ, так и за счет их комплексного использования. У ВИЭ, к сожалению, низкая плотность. Из-за этого её трудно использовать для энергетики больших мощностей.


Поскольку современный темп повышения эффективности технологий энергетики ВИЭ очень высок, то при оценке её возможностей следует исходить в первую очередь из технического потенциала, т.к. только он показывает, какое из направлений энергетики ВИЭ следует развивать в первую очередь.


Технический потенциал части видов ВИЭ в России просто огромен. Потенциал, который может быть реализован на современном уровне развития техники в России составляет 4,6 млрд т у. т.(условного топлива) Это в 5 раз больше общего энергопотребления. Если говорить о цифрах по различным видам ВИЭ, то они представлены в таблице 1 из источника [1].


Таблица 1 – Технический потенциал ВИЭ в России (Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск)

ВИЭ Технический потенциал, млн т у. т.
Солнечная энергия 2300
Ветровая энергия 2000
Геотермальная энергия 180
Энергия малых водотоков 125
Низкопотенциальное тепло 115
Биомасса 53


Как видно из таблицы 1 для России технические потенциалы солнечной и ветровой энергии на порядок превосходят остальные виды ВИЭ.


К серьезным недостаткам этих ВИЭ, ограничивающих их широкое практическое применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.


Так, например, плотность потока солнечного излучения на поверхность земли в полдень ясного дня составляет всего около 1 кВт/м2, а его среднегодовое значение (с учетом сезонных и погодных колебаний) для самых солнечных районов земного шара не превышает 250 Вт/м2 (для средней полосы России 120 Вт/м2).


Средняя удельная плотность энергии ветрового потока также, как правило, не превышает нескольких сотен Вт/м2. Так при скорости ветра 10 м/с удельная плотность потока энергии (Е = ⅟₂ρV3, ρ — плотность воздуха, V — скорость ветра) приблизительно равна 500 Вт/м2.


Плотность энергии водного потока, имеющего скорость 1 м/с, также составляет всего около 500 Вт/м2. Для сравнения укажем, что плотность теплового потока на стенках топки парового котла достигает нескольких сотен кВт/м2.


Неустойчивость ветра приводит к необходимости применения средств аккумуляции энергии. Это удорожает установку, и в целом стоимость получаемой энергии оказывается выше, чем на гидроэлектростанциях (ГЭС) и многих теплоэлектростанциях (ТЭС).


При современных аэродинамически совершенных винтах и преобразующих устройствах 2,6∙106 м2 фронта ветра могут дать мощность 150 МВт при любой скорости ветра, превышающей 6 – 8 м/с.


Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 – 6 м/с, то использование ветроэлектрических установок (ВЭУ) здесь весьма перспективно.


Однако, несмотря на это технологии использования этих видов ВИЭ активно развиваются во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг, в том числе при производстве электрической энергии.


К особенностям этих видов ВИЭ относится то, что они в максимальном своем проявлении как бы заменяют друг друга, особенно в летний период. Так если сильный ветер, при перемене погоды, то обычно большая облачность и меньше инсоляция, а при слабом ветре больше интенсивность солнечного излучения. При солнечной погоде, когда нет облаков, обычно не бывает сильных ветров.


Длительная жаркая (без дождей) погода практически безветренная, способствует образованию смога, уменьшает сток рек, а значит и выработку электроэнергии на гидроэлектростанциях.


Во время дождя плоские солнечные коллекторы очень быстро охлаждаются. А после дождя, когда воздух очищен от пыли инсоляция повышена, и в то же время, поскольку плотность влажного воздуха меньше, чем сухого, при одинаковых условиях, (т.к. молекулярная масса паров воды меньше, чем средняя молекулярная масса воздуха), «работоспособность» ветра понижается.


Кроме того сила ветра влияет на возможность гелиооборудования принимать и сохранять аккумулированную солнечную энергию. Так чем сильнее ветер, тем больше потери тепла из плоских солнечных коллекторов.


Ветры «приносящие» облака влияют на продолжительность солнечного сияния (таблицы 3, 4 и 5 [2]), а значит и эффективность работы гелиоустановок.


Таблица 3 – Продолжительность солнечного сияния (часы) (при годовом в г. Омске — 2223 ч, Русской Поляне, поселке на юге Омской области (Р. П.) — 2269 ч)

Станция
Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Омск 82 122 192 249 290 318 299 252 191 97 71 60
Р. П. 96 128 190 236 296 318 294 264 206 116 74 63


Таблица 4 – Отношение наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной (%) (при годовой в г. Омске — 51 %, Русской Поляне (Р. П.) — 54 %)

Станция

Месяцы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Омск

38

46

55

62

61

66

61

57

53

32

30

30

Р. П.

44

49

55

60

61

66

61

63

59

39

32

31


Таблица 5 – Число дней без солнца (при годовом в г. Омске — 57, Русской Поляне (Р. П.) — 49)

Станция

Месяцы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Омск

8

5

5

2

1

0,4

1

1

2

8

12

12

Р. П.

5

4

4

2

1

0,2

0,2

0,5

1

8

12

11

 

И, несмотря на это солнечную энергию летом в средней полосе России можно с успехом применять там, где сегодня используются такие высоколиквидные виды энергии и энергоносители, как электрическая энергия, газ, жидкое моторное топливо, уголь и дрова.


Поскольку стоимость электроэнергии центрального электроснабжения, газа, жидкого моторного топлива, угля увеличивается по мере удаленности от места их добычи и производства, следовательно, на удаленных территориях она наиболее высокая, а значит, более высокими становятся; и вырабатываемые из нее (посредством ее) основные виды энергии — тепло и холод. Электрифицированные водоснабжение, вентиляция и сушка также очень дороги. Производство этих видов энергии (услуг) из привозного органического топлива, из-за высокой цены, как топлива, так и генерирующих установок, не устраивает любого товаропроизводителя.


Выработка энергии из солнечного и ветрового потенциалов имеет свои особенности.


Если плотность потока солнечного излучения поступающего к приемнику не превышает 1 кВт/м2 и чем она выше, тем больше можно выработать из неё дифференцированных видов энергии, то с энергией ветра малых ВЭУ увеличение скорости ветра не всегда приводит к возрастанию вырабатываемой мощности (таблица 6).


Таблица 6 – Зависимость мощности на валу крыльчатки ВЭУ от диаметра ветроколеса и скорости ветра [3]

Станция

Месяцы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Омск

8

5

5

2

1

0,4

1

1

2

8

12

12

Р. П.

5

4

4

2

1

0,2

0,2

0,5

1

8

12

11

 

Считается, что на Земле полезно может быть использовано только 5 % энергии ветра.


Ветродвигатели крыльчатые имеют коэффициент использования энергии ветра до 0,48, карусельные или роторные и барабанные не более 0,15.


В настоящее время ВЭУ находят все более широкое применение для выработки электроэнергии. Однако известно, что нерегулярность и колебания мощности ветрового потока вынуждают усложнять электротехническую часть ВЭУ системами автоматического регулирования и дублирования электроснабжения объектов. Вследствие этого стоимость «ветроэнергетического» киловатт-часа возрастает примерно в 1,5 раза.


В России наибольшей величины средняя скорость ветра достигает на побережье морей и океанов (8 – 9 м/с), снижаясь в континентальных областях до 2 – 5 м/с.


Высокие скорости ветра (более 6 м/с) характерны для прибрежных районов Архангельской и Мурманской областей, Ямало-Ненецкого и Таймырского автономных округов, Магаданской области, Чукотки, Камчатки, Сахалина, островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, побережий Балтийского и Черного морей, а также некоторых горных районов Северного Кавказа и Полярного Урала. Зоны средних скоростей ветра (4 – 6 м/с) охватывают некоторые горные районы, побережья крупных озер (Каспийского, Ладожского, Байкала), долины больших сибирских рек (Оби, Енисея, Ангары, Лены), а также территории Европейской части страны, Сибири и Дальнего Востока, примыкающие к зонам наибольших скоростей ветра. Зона слабых ветров (менее 4 м/с) охватывает большую часть континентальных районов страны.


Россия имеет гигантский ветровой потенциал — только в части сухопутных ресурсов он составляет примерно 21 % от общего объема мировых ресурсов ветра.


Несмотря на большой потенциал, установленная мощность ВЭУ, действующих в России, составляет 13,2 МВт. Эта цифра несопоставима с мощностью ВЭУ, действующих в развитых странах. В Германии — мировом лидере ветроэнергетики — мощность ветроустановок составляет более 22 ГВт, в США — 17 ГВт, в Испании — 15 ГВт [5].


Для преобразования и стабилизации параметров электроэнергии, выдаваемой большими ВЭУ (установленной мощностью 1 МВт и более, со стоимостью 1 кВт установленной мощности до 1000 $) в общую систему электроснабжения, требуется достаточно сложная аппаратура, применение которой более чем на 30 % увеличивает стоимость станций.


Таким образом, ВЭУ большой мощности стоят дорого в значительной мере из-за аппаратуры для кондиционирования напряжения, подаваемого в общую сеть [6].


На рисунке 2 приведена характеристика одной из ВЭУ европейского уровня

Рисунок 2 – Характеристика эффективности ветряной электростанции Чешского энергетического агентства (EKIS CAE) мощностью 500 кВт

 

1


На Европейском континенте в условиях, например, Чешской Республики пригодными для ветроэнергетики являются области, в основном расположенные высоко над уровнем моря, обычно на высоте более 500 метров над уровнем моря, хотя плотность атмосферы на высоте 500 м на 5 % меньше чем на уровне моря. На меньшей высоте над уровнем моря средняя годовая скорость ветра низкая (2 – 4 м/с).

 


Для малых ВЭУ, размещаемых во внутренних районах (вдали от морей) минусом является то, что они располагаются на небольших высотах, а значит, находятся в ветровом потоке низкой плотности по сравнению с крупными ВЭС (рисунок 3) [7].


Рисунок 3 – Средние скорости ветра для различных мест в зависимости от высоты

2


Как известно, обобщенным показателем эффективности любых электрических станций является коэффициент использования установленной мощности (Киум), определяемый как отношение фактически выработанной за год электроэнергии к электроэнергии, которую могла бы выработать электростанция, если бы весь круглый год работала с полной (номинальной) мощностью. Для традиционных электростанций Киум зависит от графика нагрузки, задаваемого диспетчером, от надежности оборудования и, следовательно, времени, затраченного на аварийный ремонт; времени, требуемого на обслуживание и плановые ремонты.


Среднее значение Куим для электростанций России составляет 50 %, для атомных электростанций — 75 – 78 %. Для ВЭУ Киум зависит, кроме всех вышеуказанных факторов, ещё и от ветровых условий, т. е. поступления ветровой энергии, которая, как известно, весьма непостоянна. Поэтому среднее значение Киум (таблица 8) в странах лидерах оценивается величиной порядка 25 %.


Таблица 8 – Среднее значение Киум ветроустановок стран — членов OECD, %

Страны

2000 г.

2001 г.

2002 г.

2003 г.

2004 г.

Австралия

19,4

31,1

37,5

42,0

21,1

Канада

32,4

29,1

28,6

28,6

35,0

Дания

20,0

19,2

19,3

20,4

24,1

Германия

17,5

13,6

15,1

14,7

17,3

Япония

14,8

16,3

17,1

18,7

19,4

Испания

24,3

22,5

21,6

23,1

21,6

Норвегия

27,2

23,7

8,8

25,7

30,4

США

26,9

19,6

26,1

20,9

24,8

 

К сожалению, в таблице 8 приведены общие сведения об КИУМ, без разделения на системы (автономные станции, установки), не зависящие от распределительной сети (grid-off) и системы (станции, подключенные к сети), поставляющие электроэнергию в сеть (grid-on). Однако цифры более чем красноречиво говорят о необходимости наличия резервного источника, если требуется бесперебойное электроснабжение.


Тем не менее, сравнительно низкий Киум — один из существенных недостатков ветровой энергетики, который нивелируется, по крайней мере, двумя факторами: экологическим (нет эмиссии СО2 и не нужно топливо) и эксплуатационным. Последний фактор состоит в том, что на ветроэлектрической станции (ВЭС) мощностью, например, 200 МВт, укомплектованной ВЭУ единичной мощностью 2 МВт, выход из строя одной ВЭУ означает отключение одной сотой части мощности ВЭС. Тогда как выход из строя энергоблока мощностью 200 МВт традиционной ТЭС означает потерю 200 МВт.


Другим, весьма преувеличенным недостатком ВЭУ, считается «невозможность» прогнозировать выработку ВЭУ. Однако опыт стран-лидеров ветроэнергетики говорит о том, что этот прогноз возможен с вероятностью 95 %, т. е аналогичный гидростанциям. Это объясняется определенными закономерностями в повторяемости скоростей ветра, а также накоплением статистических данных по выработке ВЭУ за год, месяц и дни месяца [8].


При выборе площадки для установки ВЭУ исходят из особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т.д.), а в горных районах — особенности микро-и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т. п.).


Для ВЭУ, установленных в условиях, способствующих резкому увеличению скоростей ветра (высокий берег большой реки, резко выделяющаяся над окружающей местностью возвышенность, гребневые зоны хребтов, межгорные долины, открытые для сильных ветров, прибрежная полоса морей и океанов, больших озер и водохранилищ в пределах 3 – 5 км) при отсутствии данных наблюдений скорость ветра следует увеличивать на 20 % по сравнению с принятой для данного района.


Для уточнения ветрового потенциала, в первом приближении, можно пользоваться также таблицей 9 [3].


Таблица 9 – Поправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра для высот более 10 м (за исключением горных местностей)

Высота насыпи, м

До 5

5 – 10

11 – 20

21 – 30

Поправочный коэффициент

1,0

1,17

1,39

1,63


Как видно из изложенного, технологии преобразования солнечной и ветровой энергий при выработке энергии малых мощностей могут и должны дополнять и поддерживать друг друга, потому что каждый из этих ВИЭ далеко не идеален.


Они могут решать задачи, возлагаемые на малую и нетрадиционную энергетику России, к которым относятся:

 

  1. 1. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения.
  2. 2. Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения.
  3. 3. Компенсация снижения завоза топлива в труднодоступные районы и на Крайний Север при одновременном увеличении надежности и экономичности энергоснабжения.
  4. 4. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой.

 

 

 Полный текст статьи