Многие объекты, которым перерывы подачи электроэнергии нежелательны, в следствии большого материального ущерба, требуют высокой степени надежности электроснабжения, поэтому и появляется необходимость дублирования основного источника энергии.
В случае ветроэнергетических установок (ВЭУ) и солнечных электростанций, которые характеризуются своим непостоянством выработки электроэнергии, их дублирование тоже немаловажно для поддержания требуемого уровня надежности электроснабжения.
Наиболее распространенные варианты автономного электроснабжения можно классифицировать следующим образом (рисунок 1):
Рисунок 1 – Классификация систем автономного электроснабжения.
Электростанции, работающие на углеводородном сырье
Большинство дизельных электростанций крепится на раму с закрытым корпусом, которую статично присоединяют к фундаменту, в целом это обеспечивает эстетичность и удобство в эксплуатации.
На сегодняшний день, современная промышленность предлагает достаточно большое количество топливных электростанций, которые классифицируются по разным признакам (рисунок 2) [1].
- Резервные электростанции как правило предназначены для использования резервного источника электроэнергии. Они устанавливаются вместе с системой автоматического ввода резерва (АВР).
- Основные электростанции предназначаются для использования в качестве основного источника электроэнергии в течение длительного времени.
- Аварийные электростанции используются для непродолжительной непрерывной работы – не более 10 часов, они обычно имеют воздушное охлаждение и обороты двигателя 3000 об/мин.
Наиболее популярная классификация топливных электростанций – это деление их по типу используемого топлива: бензиновые, дизельные и газовые. При выборе электростанции для автономной системы электроснабжения стоит опираться на достоинства и недостатки каждого отдельного вида.
Рисунок 2 – Классификация топливных электростанций.
Бензиновые электростанции. Одним из важных при эксплуатации достоинств является легкий запуск при низких отрицательных температурах и мобильность данных электростанций. Так же стоит выделить их низкую стоимость, небольшой вес, незначительные габариты и приемлемый уровень шума при работе.
Необходимо не забывать и о недостатках бензиновых электростанций. Такие электростанции значительно загрязняют окружающую среду. Если использовать воздушное охлаждение, то они не могут работать непрерывно длительное время. Невысокая мощность, дорогостоящее топливо, низкий КПД (18-24%) и низкий уровень качества электроэнергии (перепады напряжения достигают 10%) говорят о значительном недостатке для потребителей.
Дизельные электростанции. К достоинствам таких электростанций можно с уверенностью отнести их высокую мощность (до 2,5 МВт), большой моторесурс (в среднем, до 20000 моточасов), высокую надежность, и более высокий КПД (39-47%) в сравнении с бензиновыми.
К недостаткам дизельных электростанций необходимо отнести их высокий уровень шума, и загрязнение окружающей среды, т.к. уровень выхлопных газов довольно высок. При значительных низких температурах солярка обретает некую вязкость, это сильно влияет на запуск дизельного двигателя. На холостом ходу такие электростанции имеют низкий КПД, если сравнивать с бензиновыми.
Общим недостатком всех вышеперечисленных топливных электростанций является неприемлемость их использования при отсутствии квалифицированного обслуживающего персонала [2]. При этом все они либо косвенно, либо напрямую отрицательно влияют на окружающую среду, и к тому же используемое ими топливо, это ресурс, который подвержен истощению, его необходимо постоянно транспортировать и организовывать хранение в специально отведенных местах.
Ветряные электростанции
Довольно широко распространенный, неисчерпаемый источник экологически чистой энергии — это Ветер. В настоящее время, для обеспечения автономного потребителя электроэнергией там, где имеются сильные и устойчивые ветра, он считается самым популярным источником энергии.
Ветроэнергетические установки правильно функционируют в тех районах где среднегодовая скорость ветра выше 4,5 м/с. Они могут быть как автономными системами, так и работать с сетью уже существующих электростанций, а также могут создаваться укомплектованные некоторым количеством ВУ энергоблоки, общие для всей системы, так называемые «ветряные фермы». Такие фермы дают возможность упрощать конструкцию ветроустановок посредством уменьшения их высоты, но в этом случае увеличивается занятая площадь [3].
В настоящее врем, в Соединенных Штатах Америки производится наибольшее количество энергии на ветроустановка, а в Европе – в Германии, Нидерландах, Дании, Великобритании. Самая мощная единичная электростанция в мире находится в Германии — 3 МВт Aeolus II, она производит ежегодно 7 млн. кВт/ч электроэнергии и работает на ветряной ферме Вильгельм-схафен, тем самым обеспечивая около 2 тысяч домашних хозяйств. По всему миру насчитывается свыше 20 тысяч ветряных электростанций [4].
Автономная ветроэлектростанция с генератором постоянного тока в общем случае содержит следующие основные элементы (рисунок 4).
Рисунок 4 – Структурная схема автономной ветроэлектростанции с генератором постоянного тока, питающей потребителей постоянного и переменного тока.
Автономная ветроэлектростанция с генератором переменного тока в общем случае состоит из следующих основных элементов (рисунок 5).
Рисунок 5 – Структурная схема автономной ветроэлектростанции с генератором переменного тока, питающей потребителей постоянного и переменного тока.
Ветроагрегаты производятся сейчас массово, но даже несмотря на это, стоимость их строительства достаточно велика. Стоит заметить, что стоимость эксплуатации такой установки очень незначительна. Для того что бы правильно расположить ветроэлектростанцию, необходимо детальный и всесторонний анализа, это определит экологические и экономические выгоды. На данный момент ветроэнергетика соответствует всем факторам, необходимым для того, чтобы можно было отнести ее к экологически чистым способам производства энергии. Основными преимуществами являются:
- экологичность;
- возобновляемость;
- малая занимаемая площадь;
- автономность;
- низкие затраты на эксплуатацию и простое обслуживание установки.
Одним из главных недостатков ветроэнергетики является неуправляемость поступающей энергией ветра. Это обуславливается тем, что скорость ветра часто меняется, как и его направление. Такой недостаток особенно проявляется при использовании ветроэнергетических установок для автономного снабжения электроэнергией. Однако, можно с уверенностью сказать, что, мнение, о большей регулярности энергии солнечного излучения, в сравнении с энергией ветра, ошибочно. В Северо-Кавказский Федеральный Округ (СКФО) и Южном Федеральном Округе (ЮФО) существуют такие территории, на которых ветер имеет скорость более 4,5 м/с в течение двух и более суток. Если ко всему вышесказанному, учесть ещё и высокую стоимость солнечных электростанций, ветер оказывается предпочтительней солнечного излучения. Тем более что, возможности снижения стоимости и улучшения автономных систем электроснабжения на основе ветроустановок, еще не полностью исчерпаны [5].
Структура автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки
Автономные системы электроснабжения на основе ветроэнергетических установок различаются на сегодняшний день как элементами, входящими в её состав, так и всей структурой в целом. Поэтому, формировать такие системы наиболее эффективно. Политика государства все больше направлена на внедрение энергосберегающих и энергоэффективных технологий, поэтому научное сообщество уделяет этому вопросу большое внимание.
Рисунок 6 – Основные системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетических установок
Способ резервирования ветроэлектростанции – считается одним из основных вопросов, при выборе структурной схемы, для автономной системы электроснабжения. На рисунке 6, показаны два основных способа резервирования такой системы: аккумуляторное резервирование и применение других источников электроэнергии. Если использовать в качестве резерва топливные электростанций (рисунок 7), такие как бензиновые и дизельные электростанции, то нельзя упускать тот факт, что данная система электроснабжения перестает быть экологически чистой. Также возникает целый ряд проблем, связанных с недостатками таких источников [6, 7].
Рисунок 7 – Примерная структурная схема автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки с резервированием топливной электростанцией
Литература:
- Григораш О. В., Евтушенко И. В., Попучиева М. А. Классификация и основные способы построения солнечных электростанций //Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2016. – №. 124.
- Чемеков В. В. Основные положения концепции автономного жилого дома //Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – 2011. – №. – С. 122-128.
- Сурков М. А. и др. Мировые тенденции в области построения автономных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии //Интернет-журнал Науковедение. – 2012. – №. 4 (13).
- Соснина Е. Н., Кечкин А. Ю., Филатов Д. А. Вопросы электроснабжения потребителей, удаленных от сетевой инфраструктуры //Труды НГТУ им. РЕ Алексеева. – 2014. – №. 5 (107).
- Зацепин Е. П. Безотказность электрических систем предприятий //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2018. – №. 12.
- Бабина, Л.В. Аккумуляторная резервная ветроэлектростанция для летних лагерей : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.20.02 : / Бабина Любовь Витальевна. – Зерноград, 2012. – 19 с.
- Усков, А.Е. Солнечная энергетика: состояние и перспективы / А.Е. Усков, А.С. Гиркин, А.В. Дауров; // Научный журнал КубГАУ, № 98, 2014.
