Анализперспективныхтехнологийвозобновляемых источников энергии

Внастоящеевремябольшоевниманиеуделяетсяисследованиямвозможностейальтернативныхисточниковэнергии.Исчерпываемыеприродныересурсывскоромвременинесмогутобеспечитьэнергиейчеловечество,таккакихзапасыприходятвкризисноесостояние.Поэтомучеловечестводолжнопереходитьнавозобновляемыеисточникиэнергии(ВИЭ)–впервуюочередьнасолнечнуюэнергетику.Солнечнаяэнергия—возобновляемыйинеисчерпаемыйисточникэнергии,которыйиспользуетсякакдляполучениятепловой,такиэлектрическойэнергии.Солнечнаяэнергетикаявляетсяотносительноновымспособомпроизводстваэлектроэнергии.Основнымдостоинствомэтойэнергииявляетсяэкономичностьиэкологичностьпроцессаегопроизводства,что,вконечномсчете,даетболеевысокийэффект,чемтрадиционныеспособыполученияэнергии.

Человечествосдревнихвременначалоиспользоватьэнергиюсолнцадлянагрева,полученияогня.Спустятысячелетия,построивпаровуюмашину,человектеплотупреобразовалвмеханическуюэнергию.Наконецввекэлектричествамеханическуюэнергиюсталипревращатьвэлектрическую.Первымиискусственнымиаккумуляторамисолнечнойэнергиисталиразличныеустройствадлянагреванияводы.Потомпошливходзеркала,концентрирующиеотраженныелучиСолнца,ипоявиласьвозможностьнетолькозапасатьсолнечноетепловнагретойводе,ноипревращатьеговэлектричество.

НачалофотовольтаикиположенооткрытиемЭ.Беккереля(1839г),опытамиА.Столетова(1888г)итеориейЭйнштейна.ФотовольтаикаактивноисследоваласьвпервуюочередьвкосмическихдержавахСССРиСША.

ВСССРещев30-хгодах20векапроводилисьисследованиявЛенинградскомФТИАНСССРподруководствомА.Ф.Иоффе.Врезультатеэтихисследованийбылисозданысолнечныеэлементы(СЭ)наосновекристалловкремния,установленные,вчастности,на3-мискусственномспутникеЗемли(1958год).В1984годугосударственнойпремиейбылаудостоенагруппаЖ.АлферовазасозданиеновыхструктурСЭ.Коэффициентполезногодействияэтихструктурсоставлял30%.

ПомнениюЖ.Алферовапризатратахнасозданиесолнечныхэлектростанций(СЭС)равных15%отзатратнасозданиеАЭС,СЭСпокрылибыобъемпроизводстваэнергиинасуществующихАЭС.Началуприменениясолнечнойэнергиивкрупныхмасштабахдалитолчокнефтяныекризисы1973–1979годов.В1983г.былипостроеныопытныеСЭСспаровойтурбинойвСША(10МВт),Франции(2.5МВт),Испании(1.0МВт),менеемощныепостроенывЯпониииИталии.

ВСССРперваяСЭСтакоготипабылапостроенавКрымув1985году.Онаимела5МВт,проработаладоразвалаСССР.ВтовремясуммарнаямощностьСЭСзарубежныхстрансоставляла21МВт.ВСССРсуществовалтакжепроектсолнечно-топливнойэлектростанции(СТЭС)вУзбекистане(320МВт).

Начинаяс90-хгодовпрошлоговекаразвитиесолнечнойэнергетикивнашейстранеприостановилосьвсилуизвестныхнегативныхсоциально-экономичныхпроцессов,происходившихвнашейстране.Вэтотпериодпродолжалосьинтенсивноеразвитиесолнечнойэнергетикивдругихстранах.Быстрымитемпамиразвиваласьфотовольтаика.

ВнастоящеевремядолянашейстранывобщемобъемепроизводстваэнергиинаСЭСсоставляетменее1%.СуммарнаямощностьзарубежныхСЭСк2016годудостигла210ГВт.НаибольшийобъемэнергиипроизводитсявГермании(44,6ГВт),затемследуетКитай(29,3ГВт),Италия(26,3ГВт),Япония(15,9ГВт),США(14,7ГВт),Испания(6,6ГВт),Франция(8ГВт)ит.д.ПопрогнозамдоляэлектроэнергиипроизводимойнаСЭСвближайшиедесятилетиябудетнарастатьна25-30%ежегодно(Рис.8.).

Рисунок8-ДинамикамировогопроизводстваэлектроэнергиинаСЭС

К2016годувРоссииимеется10предприятийпопроизводствусолнечныхэлементов(СЭ).ГодовоепроизводствопомощностиСЭсоставляет160МВт.Онипроизводят,СЭнаосновеполи–имонокристаллическогокремния.ВчислоэтихпредприятийвходятпредприятияКраснодара,Москвы,Рязаниидр.В2014годувгородеНовочебоксарскевведёнвпроизводствозавод«Хевел»,которыйзанимаетсяизготовлениемтонкопленочныхфотоэлектрическихпанелей.

ПерваявРоссииСЭСнаосновекремниевойкристаллическойСЭпостроенав2010годувБелогородскойобластисвыработкойэлектроэнергии133МВт*чвгод.

В2010-2013годахпостроенычетыреСЭСвКрымусобщеймощностьюболее200МВт.В2014годупостроенаСЭСвгородеКаспийскмощностью5МВт.СовсемнедавнозакончилосьстроительствоСЭСвОренбургскойобластимощностью25МВтивРеспубликеХакасиямощностью5,2МВт.КрупнейшаяСЭСстроитсявХунзахскомрайонеДагестана,мощность,которойдолжнабудетдостигать45МВт.Планируетсявводвэксплуатациюв2016году2-йочередиБурибаевскойСЭСнаосновефотовольтаики(10МВт).

Вближайшеевремя,имеютсяпроектыпостроенияСЭСвЧелябинскойиХерсонскойобластях,наосновеСЭзавода«Хевел»ипроектыпостроительствуСЭСк2020годунаАлтае,вСибирииСтавропольеидр.К2020годупланируетсядовестидолюсолнечнойэлектроэнергетикивРоссиидо5%поотношениюкобъемувсейэлектроэнергетики.Следуетотметить,чтопоусловиямпостановления№449,правительствоимеетдовольноамбициозныепланы,такк2018годупланируетсяввестипорядка850МВт(Таблица1)мощностейнаосновеСЭС.К2020годуобщаядолясолнечнойэлектроэнергетикивРоссиипоотношениюкобъемувсейэлектроэнергетикисоставит5%.

Таблица1-Вводмощностейпогодам

Вывод.Такимобразом,в90-хгодахпрошлогостолетиянашастранауступивпередовыепозициивобластисолнечнойэнергетики,впоследниегодыактивизируетдеятельностьвэтойперспективнойобластинаукиитехники.УсловияразвитиядляэтойотрасливРоссииимеются.ЕстьнаучныйпотенциалиопытэксплуатацииСЭС,имеютсябольшиепоплощадитерритории,гдеинсоляциядостаточновысока.ТакимирегионамиявляютсяСеверныйКавказ,Краснодарскийкрай,ЮгСибири,ДальнийВосток,Центральныерайоныидр.ОсобенновостребованыСЭСвтехрегионах,гдедонастоящеговремениотсутствуетцентрализованноеэлектроснабжение.Общаячисленностьнаселениятакихрегионовсоставляетоколо10миллионовчеловек.

Поискиивнедрениеновых,нетрадиционныхисточниковэнергии–однаизглавныхмировыхпроблемХХIтысячелетия,котораяобусловленалокальнымиистощениямиприродныхресурсов,возможнойперспективойэнергетическогокризисаинегативнымвоздействиемтрадиционнойэнергетикинаокружающуюсреду.Так,например,республикаБашкортостанрасполагаетширокимнаборомнетрадиционныхивозобновляемыхисточниковэнергии(ВИЭ),которыевопределенныхусловияхмогутсоставитьконкуренциютрадиционнымэнергетическимисточникам,либобудутвыгодноихдополнять,приносяощутимыйэкономическийэффект.Ктакимнаправлениямальтернативнойэнергетики,которыеразвиваютсяздесь,относятсяветроваяисолнечнаяэнергетики,работающиенаВИЭ.

Перемещениебольшихмассвоздуха–ветернесётколоссальноеколичествоэнергии:почти2%энергиивсейсолнечнойрадиации,попадающейнаЗемлю.ПотенциальныересурсыветровойэнергиинавсейтерриторииРоссииопределеныв10,7ГВт.

Кдостоинствамветровойэнергии,преждевсего,следуетотнестидоступность,повсеместноераспространениеипрактическинеисчерпаемостьресурсов.

Втожевремясуществуютинедостатки ветроэлектроустановок(ВЭУ),которыезатрудняютихвнедрение.Основноепрепятствиекиспользованиюветракакэнергетическогоисточника–непостоянствоегоскорости(а,следовательно,иэнергии)ковремени.Ветерхарактеризуетсянетолькомноголетнейисезоннойизменчивостью.Ветровойрежим(среднегодоваяскоростьветра)вразличныхзонахстранынеодинаков.

Солнечнаяэнергетика–однаизсамыхчистыхиэкологическихспособовполученияэлектроэнергии.Онатакжеявляетсяоднимизуспешно развивающихсянаправлений«зелёнойэнергетики»вБашкортостане.Этоподтверждаетсятем,чтовмае2014годаПравительствоРеспубликиБашкортостанподписалосоглашениеосотрудничествевстроительствесолнечныхэлектростанцийскомпаниями«Хевел»и«АвеларСоларТехнолоджи».Наданныймоментначатостроительствопятиэлектростанций,которыеимеютобщуюмощностьпочти40МВтибудутвведенывэксплуатациювсередине2018г.Втомжегодупланируетсявводтрехсолнечныхэлектростанцийсуммарноймощностью24МВт(Исянгуловская—9МВт,Бугульчанская(втораяочередь)—5МВтиБурибаевская—10МВт)вЗианчуринском,КуюргазинскомиХайбуллинскомрайонах[7,c.45].

Солнечнаярадиация–этоперспективный,доступныйинеисчерпаемыйисточникэнергии,особеннополезенвнашевремяпостоянногоростаценнатрадиционныеспособыполученияэнергии.

Ноусолнечнойэнергетикиестьиминусы,важнейшийизкоторых–этозависимостьотпогодныхиклиматическихусловий.Именноэтотфакторглавнымобразомвлияетнаместоразмещениясолнечныхэлектрическихустановок(СЭУ).

Такимобразом,эффективностьиспользованияветровойисолнечнойэнергиинапрямуюзависитотместныхусловийклимата.ПоэтомупроблемарациональногоразмещенияВЭУиСЭУнатерриторииРФдляполученияболеедешёвойэлектроэнергиииграетважнейшуюрольприоценкеперспективностиразвитияданныхнаправленийальтернативнойэнергетикивРеспубликеБашкортостан.

ДлярешенияданнойпроблемынеобходимовыполнитьзадачипонакоплениюианализустатистическихданныхработыВЭУиСЭУвразличныхклиматическихусловиях,индивидуальныхдлякаждогорегионаРФ.

НакоплениетакихданныхотносительноСЭУвнашейстранеосуществляетсяспомощьютестовыхфотоэлектрическихсистемдлямониторингатонкопленочныхикристаллическихфотоэлектрическихмодулей(ТФЭС).Данныесистемынаправленынаопределениевеличинысолнечнойинсоляции,осуществляетсбор,хранениеипередачучерезсетьИнтернетследующихданных,какхарактеристикамодулей,температураокружающейсреды,поверхностимодуля,уровеньсолнечнойрадиации,скоростьинаправлениеветраит.д.ПодобнаясистемаиспользуетсяивБашкортостаневцеляхисследованияэффективностисолнечныхбатарей,котороепроводитстуденческоеконструкторскоебюроСКБ-3:измерительныйкомплексдлясистемымониторингаТФЭСразмещеннакрыше8-гокорпусауфимскогогосударственногоавиационногоуниверситета(УГАТУ).

Длярешениявторойзадачиавторамибылпроизведёнанализданных,полученныхспомощьюподобныхизмерительныхкомплексов,используемыхдляследующихТФЭС:

-АстраханьАГУ;

-Владивосток;

-Горно-АлтайскГАГУ;

-МахачкалаИФДНЦРАН;

-Санкт-ПетербургФТИим.А.Ф.ИоффеРАН;

-УфаУГАТУ.

ПослеэтогобылосделаносравнениеТФЭСпозначениямотносительныхмощностей Рмах/Рном,где Рмах-максимальнаяактивнаямощность,вырабатываемаяТФЭСзасутки,Рном−номинальнаямощностьТФЭС.

Приэтом,чтобынивелироватьвлияниепогодныхусловий,различныхдляместразмещениякаждогосолнечнойпанеливразноевремя,быливыявленыдни,вкоторыхпогодабылаприблизительноодинаковой.Дляхарактеристикипогодыучитывалисьследующиепараметры:температураокружающеговоздуха,длительностьсветовогодняиоблачность.

Результатысравнительногоанализасведенывтаблицы(табл.2–5).Показатели Рмах/Рномопределеныотдельнодлямикроморфногоикристаллическогомодулей.

Таблица2–СравнениеТФЭСпопоказателюРмах/Рном(зима)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфныймодуль	Санкт-Петербург	Уфа	Махачкала	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск
	0,91	0,88	0,77	0,68	0,67	0,64
кристаллическиймодуль	Санкт-Петербург	Уфа	Владивосток	Махачкала	Астрахань	Горно-Алтайск
	1,03	0,99	0,90	0,90	0,81	0,77

Таблица3–СравнениеТФЭСпопоказателюРмах/Рном(весна)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфныймодуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Астрахань	Санкт-Петербург	Владивосток	Уфа
	1,13	1,06	1,07	0,91	0,84	0,84
кристаллическиймодуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Астрахань	Владивосток	Санкт-Петербург	Уфа
	1,33	1,24	1,19	1,09	1,03	1,0

Таблица4–СравнениеТФЭСпопоказателю Рмах/Рном(лето)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфныймодуль	Владивосток	Уфа	Астрахань	Махачкала	Горно-Алтайск	Санкт-Петербург
	1,73	0,95	0,92	0,90	0,86	0,84
кристаллическиймодуль	Владивосток	Махачкала	Санкт-Петербург	Горно-Алтайск	Астрахань	Уфа
	1,07	0,98	0,98	0,96	0,94	0,62

Таблица5–СравнениеТФЭСпопоказателюРмах/Рном(осень)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфныймодуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Уфа	Владивосток	Санкт-Петербург	Астрахань
	1,18	0,94	0,91	0,87	0,8	0,8
кристаллическиймодуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Владивосток	Санкт-Петербург	Астрахань	Уфа
	1,27	1,04	1	0,89	0,86	0,62

Рисунок9–СравнениеэффективностиработыСЭУсмикроморфныммодулемвтечениегода

Рисунок10–СравнениеэффективностиработыСЭУскристаллическиммодулемвтечениегода

Изрисунка9видно,чтоСЭУсмикроморфныммодулем,размещённаявУфе,втечениегодаимеетотносительновысокуюэффективностьработыпосравнениюсаналогичнымиустановками,эксплуатирующимисявдругихрегионах:зимойилетомпопоказателю Рмах/Рномоназанимает2место,осенью-3-еивесной3-еиз6.

Изрисунка10видно,чтоСЭУскристаллическиммодулем,размещённаявУфе,втечениегодаимеетотносительнонизкуюэффективностьработыпосравнениюсаналогичнымиустановками,эксплуатирующимисявдругихрегионах:попоказателю Рмах/Рномзимойоназанимает2место,весной,летомиосенью–6-еиз6.

Далеесравнимданныерегионыповетровомупотенциалу.ДляэтогоиспользуемтакжестатистическиеданныеТФЭС,вданномслучае–этосредняяскоростьветра.

Рассчитаеммощность,котораяможетбытьвыработанагоризонтально-осевойВЭУнапримереУфы.

Площадь,ометаемаяветроколесомравна:

м²,                                                          (1)

гдеD–диаметрветроколеса,м.Здесьпринятаравной2м.
Определиммощность,вырабатываемуюветроустановкой:

,Вт,                                                                       (2)

гдеρ–плотностьвоздуха,равная1,23кг/м³;v–скоростьветра,м/с;ξ–коэффициентиспользованияэнергииветра;η–коэффициент,учитывающийпотериприпередачемощностиотвалаветроколесадорабочеймашины(К.П.Д.ВЭУ),которыйопределяется:

ηп=ηр * ηг,                                                                                         (3)

гдеηр–К.П.Д.редуктора(механическийК.П.Д.ηр=0,9);ηг–К.П.Д.генератора(ηг=0,9)

ДляостальныхрайоновпотенциальногоразмещенияВЭУрасчётыаналогичны.Полученныерезультатызаносимвтаблицы6-9.

Таблица6–ПотенциальныемощностиВЭУ(зима)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скоростьветра,м/с	4	4	1	2	2	1
Мощностьветроустановки,Вт	25,04	25,04	1,56	6,26	6,26	1,56

Таблица7–ПотенциальныемощностиВЭУ(весна)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скоростьветра,м/с	5	3	5	3	4	4
Мощностьветроустановки,Вт	39,12	14,08	39,12	14,08	25,04	25,04

Таблица8–ПотенциальныемощностиВЭУ(лето)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скоростьветра,м/с	1	1	2	3	1	2
Мощностьветроустановки,Вт	1,56	1,56	6,26	14,08	1,56	6,26

Таблица9–ПотенциальныемощностиВЭУ(осень)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скоростьветра,м/с	1	2	2	1	1	1
Мощностьветроустановки,Вт	1,56	6,26	6,26	1,56	1,56	1,56

Составимсравнительнуюдиаграммудляанализарасчётов(рисунок11)

Рисунок11–СравнениеэффективностиработыВЭУвтечениегода

Издиаграммывидно,чтоВЭУ,размещённаявУфе,втечениегодаимеетотносительнонизкуюэффективностьработыпосравнениюсаналогичнымиустановками,эксплуатирующимисявдругихрегионах.зимой-6–еВесной.летомиосенью-3-местопомощности ВЭУ оназанимает2место,осенью-3-еилишьвесной3-е.

Такимобразом,использованиесолнечнойэнергиинатерриторииРеспубликиБашкортостан,сточкизренияклиматическихресурсов,являетсяэнергетическивыгодным,приэтомнаиболееперспективноенаправлениевданномрегионе,наосновеполученныхданных–использованиемикроморфныхмодулей.ВтечениебольшейчастигодасохраняетсявысокаяэффективностьработыСЭУ,покоторойБашкортостануступаетлишьдвумрегионамиз6(Горно-АлтайскиМахачкалаилиСанкт-Петербург).Этопозволитдобитьсявысокихпоказателейудельнойвыработкиэлектроэнергиисолнечныхэлектростанцийиповыситьэнергонезависимостьрегионабезущербадляэкологии.

Исследованиетакжепоказало,чтоиспользованиеветровойэнергиинатерриторииРеспубликиБашкортостаннерентабельно.ВтечениебольшейчастигодаэффективностьработыВУЭостаётсясравнительнонизкойилишьвеснойдостигаетсянаибольшаятеоретическаямощностьВЭУ,равная25кВт,чтопревосходитаналогичнуювыходнуюмощностьВЭУвМахачкале.