Синєглазов Віктор Михайлович
Завідувач кафедри авіаційних комп’ютерно-інтегрованих комплексів
Національного авіаційного університету
д.т.н., проф., лауреат Державної премії України, Заслужений діяч науки і техніки України
Відновлювана енергія – це енергія, вироблена за допомогою ресурсу, який швидко заповнює (відновляється) у результаті природнього або природного процесу, що не припиняється.
З економічної точки зору відновлювані джерела енергії (ВДЕ) можна розглядати як ефективний засіб стимулювання інноваційної й ділової активності в національних економіках, створення додаткових робочих місць, формування нових значних джерел надходжень від імпорту обладнання.
Експерти ООН запропонували наступну класифікацію ВДЕ:
– сонячна й вітрова енергія;
– енергія від використання торфу, біомаси, включаючи відходи сільського, лісового, промислового й комунального сектору;
– енергія падаючої води, включаючи ГЕС, потужністю меншою за 1 Мвт;
– геотермальна енергія;
– хвильова енергія, включаючи енергію течій, припливів і відливів, а також енергія температурних перепадів океану;
– енергія залишкового тепла землі (низькопотенціальна енергія).
Одним із ключових векторів сталого розвитку високотехнологічних країн став вибір екологічно чистої енергетики майбутнього, який включає [1]:
– застосування інноваційних принципів вироблення відновлюваної енергії, що сприяє її ефективному використанню, дасть додатковий імпульс охороні навколишнього середовища, забезпечить надійне енергопостачання й підвищення конкурентоспроможності економіки;
– енергозбереження на благо екологічно чистого майбутнього, враховуючи, що викопне паливо довгий час буде затребуване світовою енергетикою, дасть пріоритет тим інноваційним технологіям, які будуть спрямовані на зниження його шкідливого впливу на навколишнє середовище;
– стимулювання науково-дослідних розробок, спрямованих на впровадження екологічно чистої енергетики;
– створення джерел фінансування ВДЕ шляхом удосконалювання ринкових інструментів, включаючи податкові;
– зм’якшення наслідків кліматичних змін, шляхом вироблення необхідних заходів для розвитку ринків технологій «чистої» енергетики, підвищення їх доступності для країн, що розвиваються.
За прогнозом Міжнародного енергетичного агентства [2] (МЕА), до 2025 року споживання електроенергії у світі досягне 26 трлн. кВт/год, при цьому встановлена потужність електростанцій сягатиме 5500 ГВт, до 2035 року – 32 трлн. кВт/год, установлена потужність електростанцій досягне 5900 ГВт. Значну роль (близько 44%) у досягненні заявлених параметрів лідери провідних держав відводять ВДЕ, оскільки традиційні способи вироблення електрики, мають обмежений первинний ресурс, завдають певної шкоди навколишньому середовищу [3].
У 2014 році за даними щорічного інвестиційного дослідження UNEP [4] глобальні інвестиції у ВДЕ досягли 290 млрд. євро, а в 2015 році цей показник перевищив 329 млрд. доларів США [5].
Наявність технологічних інновацій призвело до впровадження поліпшених виробничо-споживчих продуктів ВДЕ з меншими витратами ресурсів. В умовах достатнього вітрового і сонячного потенціалу й не завжди передбачуваних цін нафта, а також дорогої інфраструктури для їхнього застосування, ВДЕ починають успішно конкурувати із традиційною енергетикою.
За останнє п’ятиріччя розвитку інноваційних технологій в секторі ВДЕ практично вдвічі зменшилась вартість генерації (табл. 1).
Таблиця 1
Порівняння середніх витрат на генерацію для різних видів ВДЕ в країнах ЄС
в 2010 р., дол США/ у тоннах нафтового еквівалента (т.н.е)
Таким чином, збільшення обсягів виробництва ВДЕ і їх частки в енергетичних балансах сприяє підвищенню ефективності господарської діяльності різних за обсягом споживачів енергії та зміцненню довіри усередині країни – між державою, бізнесом і громадянським суспільством.
Світове співтовариство вибрало шлях до нової енергетики ВДЕ, визнало безальтернативність її інноваційного розвитку, прогнозовані світові витрати на ВДЕ до 2030 року складуть 7 трильйонів доларів [6].
Політика безальтернативного інноваційного вибору ВДЕ світовою енергетикою забезпечила введення сумарної потужності сектору ВДЕ 500 Гвт, що у півтора рази перевищило потужності всіх атомних електростанцій у світі. До 2020 року потужності виробництва електроенергії відновлюваними джерелами, що вводитимуться, складуть 700 ГВт. Доведено, що збільшення обсягів виробництва ВДЕ і їх частки в енергетичних балансах сприяє підвищенню ефективності господарської діяльності різних за обсягом споживачів енергії й зміцненню довіри між країнами, що включили ВДЕ в перелік стратегічних пріоритетів свого розвитку.
Автономні системи відновлюваних джерел енергії не є надійними через непостійну доступність та зміни кліматичних умов. В останні роки системи з відновлюваними джерелами енергії, такі як автономні сонячні фотоелектричні, вітрові системи були просунуті по усьому світу в порівняно більших масштабах. Ці незалежні системи не можуть забезпечити безперервне джерело енергії оскільки вони сезонні по своїй природі, фотоелектрична енергетична система не може забезпечити надійною потужністю в несонячні дні, автономна вітрова система не може задовольнити вимогам постійного навантаження внаслідок значних флуктуацій величини швидкостей вітру від години до години протягом року. Очевидно, що комбінація двох або більше відновлюваних джерел енергії більш ефективна, ніж система з одним джерелом з погляду ціни, ефективності й надійності. Така система називається гібридною відновлюваною енергетичною системою (ГВЕС) і стає елементом ринку, що найбільш швидко розвивається в усьому світі.
Як результат, використання вітрової й сонячної фотоелектричної генерації енергії стає реальністю. Однак не можна відмовлятися від інших джерел відновлюваної енергії (ВЕ) / альтернативної енергії (АЕ), технологій генерації, таких як океанська хвиля й припливи, осмотична, геотермальна, паливних елементи (ПЕ) та мікротурбін (МТ).
Загалом, гібридні системи перетворять усю отриману енергію в один вид, звичайно електричну й/або накопичують енергію в деякому вигляді (хімічному, стисненого повітря, тепловому, механічному маховику, тощо) і агрегований вихід використовується для живлення різноманітного навантаження.
Гібридизація призводить до збільшення надійності системи ВДЕ, однак передбачає оптимальний вибір джерел енергії та технологій їх відбору, що буде визначати методологію проектування таких систем для покращення експлуатаційних характеристик, розв’язання задач диспетчеризації й керування. Різні джерела генерації можуть сприяти один одному у досягненні більш високої енергетичної ефективності і/або поліпшувати функціонування.
Накопичувальний елемент це складова частина гібридної ВЕ й AЕ системи генерації енергії. Технології зберігання енергії з високою ємністю, такі як насосна гідроелектростанція, зберігання енергії стисненого повітря й зберігання водню загалом не мають швидкого часу відгуку й використовуються для довгочасного зберігання енергії/ керування повільною варіацією навантаження. З іншого боку, для реагування на короткі тимчасові перешкоди, такі як швидкі перехідні процеси при навантаженні й для прискорення навантаження, використовуються пристрої зберігання з високою швидкістю, такі як батареї, маховики, суперконденсатори й надпровідне магнітне сховище енергії (НМСЕ). Короткий огляд різних технологій генерації енергії ВЕ / AЕ й різних схем зберігання енергії, які можуть використовуватися в гібридних системах наведено у табл. 2.
Таблиця 2
Короткий огляд різних технологій генерації енергії ВЕ / AЕ й різних схем зберігання енергії
Будь-яка комбінація технологій генерації енергії ВЕ / AЕ за належного зберігання і, можливо, у комбінації із традиційною технологією генерації, наприклад, дизель-генератором, може утворювати гібридну енергетичну систему. Наприклад, гібридна система може мати будь-яку комбінацію систем: вітроенергетичної, сонячної на базі фотоелектричних панелей, мікро-гідро, мікротурбіни, звичайного дизель-генератора, акумуляторної батареї й сховища водню, зробленого на основі електролізу, у мережевій або автономній конфігурації.
Виходи різних джерел генерації гібридної енергетичної системи повинні координуватися й контролюватися для одержання максимальної кількості енергії.
Щоб забезпечити максимальну ефективність усієї системи, одночасно сприяючи максимальному скороченню викидів у навколишнє середовище, і в той же час мінімізуючи витрати на виробництво енергії, необхідно використовувати методи багатокритериальної оптимізації й керування для визначення структури системи й оптимального розподілу одержуваної енергії з різних джерел.
Джерела ВЕ / AЕ мають різні робочі характеристики; тому важливо мати чітко визначену й стандартизовану структуру/процедуру для їхнього з’єднання з метою створення гібридної системи або, більш широко, мікромережа, де локальний кластер джерел розподілених джерел енергії, накопичувачів енергії й навантажень інтегруються разом і здатні автономно працювати. Робастна мікромережа також повинна мати можливість реалізації технології «включив і працюй», відповідно до якої, пристрою (DG, систему зберігання енергії або кероване навантаження), можуть бути додані в існуючу систему (microgrid), не вимагаючи реконфігурації системи для виконання своєї розробленої функції, а саме: генерації потужності, забезпечення енергоємності або здійснення контролю навантаження.
Для того, щоб вибрати оптимальну конфігурацію гібридної системи, що відповідає вимозі навантаження, оцінка повинна проводитися на основі критеріїв надійності електроживлення й вартості системи життєвого циклу.
До складу гібридних систем можуть також входити джерела теплової енергії (біогазові установки, сонячні теплові колектори) і джерела на органічному паливі (дизель-генератори), які виконують роль резервного живлення. Технологічні конфігурації можуть бути класифіковані відповідно до виду напруги у мережі: постійного, змінного струму або змішані лінії.
У гібридній системі постійного струму всі компоненти з вироблення електрики пов’язані з лініями постійного струму, від яких заряджаються батареї. Батареї повинні мати захист (контролер) від перезарядження й повного розряду. Напруга від джерел змінного струму (вітро-гідротурбіни, дизель-генератор) перетвориться в постійну за допомогою конверторів. Напруга яка виробляється у відповідності до попиту подається на навантаження постійного струму. Навантаження змінного струму живляться через інвертор.
У гібридних системах змінного струму основні джерела напруги можуть бути зв’язані прямо з лінією змінного струму або ж через додаткові конвертори для забезпечення необхідних характеристик змінного струму (актуально у разі з’єднання системи із централізованою електромережею). В обох випадках двонаправлений інвертор контролює подачу енергії для зарядки акумуляторів, а також від акумуляторів на навантаження змінного струму. Навантаження постійного струму можуть забезпечуватися напругою від акумуляторів.
Виходячи з особливостей роботи, гібридні системи класифікуються як послідовні, що перемикаються й паралельні.
У послідовних системах акумулятори заряджаються від сонячного фотоелектричного модуля (у представленій конфігурації) або від дизель-генератора постійного струму (якщо відсутнє сонячне випромінювання). Від акумуляторів за допомогою інвертора живиться навантаження змінного струму. Система може працювати в ручному або автоматичному режимі за наявності сенсорів зарядки батарей і контролера включення дизель-генератора. Послідовна конфігурація системи має відносно просту схему й у цей час застосовується досить широко.
У якості недоліків можна відзначити часті перезарядження акумулятора, що призводить до скорочення його терміну служби, необхідність наявності батарей підвищеної ємності (для зменшення глибини розряду). Вихід з ладу інвертора призводить до повного відключення споживачів від мережі.
У гібридних системах, що перемикаються, змінна напруга споживачам може подаватися через інвертор від акумуляторів, поновлюваних джерел або від генератора змінного струму. Зарядка акумуляторів здійснюється від поновлюваних джерел або від дизель-генератора (через випрямляч). При роботі системи в автоматичному режимі контролери керування створюють необхідну конфігурацію системи, що дозволяє забезпечити безперебійне живлення споживачів і необхідний рівень заряду акумулятора.
У порівнянні з послідовною гібридна система, що перемикається, має більшу надійність в енергозабезпеченні, але, звичайно, і більшу складність.
У паралельній конфігурації гібридної системи є можливість подачі енергії споживачам незалежно кожним джерелом, що входить у систему (при малих і середніх навантаженнях), а також одночасно від усіх – при пікових навантаженнях. В останньому випадку потрібна синхронізація форми напруги на виході інвертора й генератора змінного струму. Двонаправлений інвертор забезпечує зарядку акумуляторів від генератора змінного струму й перетворення постійного струму від сонячних батарей і акумуляторів у змінний струм. Слід зазначити, що ефективна експлуатація паралельної гібридної системи вимагає складної системи керування. Однак, виходячи з більших можливостей надійного енергозабезпечення, остання конфігурація має перспективність у практичному застосуванні, особливо, коли в систему підключено кілька видів поновлюваних джерел енергії.
На основі вище наведеного можна відмітити наступні особливості гібридних систем, які роблять їх високоефективними і конкурентоспроможними:
- гнучкість вибору палива, надійність (використання надлишкових технологій і/або зберігання енергії), економічність, зменшення шкідливих викидів;
- можливість включення до їх складу теплових, високопотужних й високоефективних пристроїв (паливні елементи, сучасні матеріали, системи охолодження, тощо);
- можливість одночасно забезпечувати підвищення якості і доступності електроенергії;
- можливість в залежності від місця знаходження включати максимальну кількість відновлюваних джерел енергії;
- забезпечення значно нижчого рівня шкідливих викидів в порівнянні з традиційними технологіями, які використовують корисні копалини;
- досягнення бажаних характеристик при найнижчій прийнятній вартості, що є ключем до прийняття ринком.
Структурна схема типової гібридної енергетичної системи з відкритим контуром на основі використання енергії вітру та сонця наведено на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема типової гібридної енергетичної системи з використанням енергії вітру та сонця
Дана гібридна енергетична система складається із сонячної і вітрової енергоустановок. Потужність, створювана вітровими установками, являє собою змінний струм, але має змінну амплітуду й частоту, які потім можуть бути перетвориться в постійний струм для зарядки акумулятора. Контролер захищає акумулятор від надмірної зарядки або глибокого розряду. Оскільки висока напруга може бути використана для зниження втрат системи, інвертор звичайно використовується для перетворення постійного струму низької напруги в змінний струм з напругою 220 В, частотою 50 Гц.
Контролер забезпечує реалізацію наступних функцій:
– максимізація величини електричної енергії, виробленої електричними панелями або вітрогенератором, шляхом визначення та відслідковування положення робочої точки, яка відповідає максимуму енергії (задача MPPT);
– накопичення електричної енергії в акумуляторних батареях для забезпечення безперервної та безперебійної роботи;
– управління процесами заряду й розряду батарей;
– захист вітрогенератора від перевищення швидкості, підключаючи фіктивне навантаження на його вихід;
– ініціювання роботи дизель-генератора або підключення системи в електричну мережу (якщо є), коли відновлювана джерела енергії не можуть забезпечити достатню електроенергію;
– забезпечення накопичення та збереження інформації про локальне сонячне випромінювання: високе, низьке й середнє значення денної сонячної радіації, розраховані за один рік.
Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання джерел сонячної та гідро енергій наведено на рис. 2.
Рис. 2. Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання джерел сонячної та гідро енергій
В якості джерела гідроенергії використовується невеличкий резервуар для накопичення води. Місце розміщення даної системи залежить від географічних умов знаходження доступних джерел (водоймищ) води, які містяться на достатній висоті. Потужність системи залежить від кількості води й сонячного випромінювання.
Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання енергії біопалива, сонячної енергії та дизель-генератора наведено на рис. 3.
Рис. 3. Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання енергії біопалива, сонячної енергії та дизель-генератора
Передбачається, що у якості біопалива використовується сміття (мертві дерева, гілки, скошена трава, залишки культурних рослин, деревна тріска, кора й стружка з лісопильних заводів шини, тощо).
Як було сказано раніше дизель використовується у гібридній системі як резервне джерело у піковий період навантаження.
У системі використовується гібридний контролер який підтримує баланс енергії під час зміна навантаження, призначає пріоритет серед джерел енергії.
Гібридний контролер забезпечує реалізацію наступних функцій:
– підключення живлення до споживача від джерела енергії здатного забезпечити вимоги навантаження;
– синхронізація сигналів напруг з різних джерел, наприклад у випадку коли миттєва величина сигналу напруги із джерела фотовольтаіки відрізняється від величини сигналу з іншого джерела, скажемо, біопалива, що викликає локальний потік циркулюючої потужності.
Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання енергії фотовольтаіки, теплової сонячної енергії та електромережі наведено на рис. 4.
Рис. 4. Структурна схема типової гібридної енергетичної системи на основі використання енергії фотовольтаіки, теплової сонячної енергії та електромережі: 1 – гаряча вода; 2 – холодна вода
Сонячне тепло є однією з найдешевших і найбільш практичних форм відновлюваної енергії (джерело гарячої води для будинку або комерційного використання, наприклад, плавальних басейнів, автомийок і пралень, прості сонячні печі й плити використовуються в усьому світі як на комерційних кухнях, так і у житлових приміщеннях).
Гібридний контролер синхронізує різні джерела, як описано раніше.
Ця система підходить для місць, де сонячна енергія доступна, але інші джерела, такі як вітер, хвилі, припливи і т. ін., не мають високого енергетичного потенціалу, а інші джерела корисних копалень не є економічно вигідними.
Визначення розмірів гібридної системи ВЕ / AЕ є важливим завданням. Основним підходом до рішення завдання визначення розміру компонентів гібридної системи є мінімізація величини вартості системи при збереженні її надійності, який реалізується в результаті використання систем штучного інтелекту.
У Національному авіаційному університеті під керівництвом завідувача кафедри авіаційних комп'ютерно-інтегрованих комплексів заслуженого діяча науки і техніки України, Лауреата Державної премії України в галузі науки і техніки д.т.н., проф., Віктора Синєглазова розроблено гібридну енергетичну установку, яку розміщено на даху навчального корпуса №5 (рис. 5).
Рис. 5. Гібридна енергетична установка “VS-1.1”
Гібридна енергетична установка складається з вітроенергетичної установки з комбінованим вертикально-осьовим ротором типу Дар’є–Савоніуса, сонячної енергетичної установки, системи накопичення енергії на базі акумуляторних батарей і системи управління.
Гібридна енергетична установка є повністю автономною, не вимагає постійного контролю під час експлуатації та обслуговування. Габаритні розміри становлять 2 метри висота та 2,4 метра розмах крил. Ротор вітрогенератора виготовлений зі скловолокна та алюмінію.
Сама вітроустановка виконана за схемою прямого приводу ротор–генератор, що забезпечує високу надійність і простоту конструкції. Комбінований ротор забезпечує роботу установки на малих вітрах (зі швидкістю вітру від 2 м/с).
Таблиця 3
Графік залежності потужності енергетичної установки від швидкості вітру показано на рис. 6.
Рис. 6. Графік залежності потужності енергетичної установки від швидкості вітру
На даний момент енергетична установка повністю забезпечує освітлення навчального корпусу № 5 Національного авіаційного університету в нічний час.
Висновки
З урахуванням вивченого міжнародного досвіду, для активізації інноваційного розвитку в галузі ВДЕ необхідно
1. Розробити державну програму інтенсифікації використання ВДЕ з метою зниження емісії вуглекислого газу й поліпшення екологічного стану. Сформувати державне бачення стратегічних параметрів і характеристик продукції ВДЕ.
2. Визначити реальні цільові орієнтири розвитку сегментів ВДЕ, що забезпечують оптимальне співвідношення вироблення відновлюваної енергії й традиційної за певний період для конкретних регіонів України з урахуванням потенціалу ВДЕ й пропозицією заходів їх підтримки залежно від їхньої очікуваної ролі в паливно-енергетичному балансі регіону.
3. Визначити регіони, найбільш придатні для оптимального економічного розвитку виробництва видів ВДЕ як для створення нових робочих місць і підвищення зайнятості, так і для забезпечення росту податкової бази всіх рівнів.
4. Сформувати цільове державне замовлення як інструмент, що дозволяє зорієнтувати вітчизняного виробника на прийняття управлінських рішень для інвестицій у ВДЕ щоб скоротити ринкові й фінансові ризики інвесторів і корпорацій, зберегти час і засобу для їхнього проектування.
5. Створити міжвідомчу структуру керування розвитком поновлюваної енергетики на державному й регіональному рівні, закріпивши за нею функції інституціональної й законодавчої підтримки активного розвитку поновлюваної енергетики шляхом удосконалювання діючих нормативних документів і розробки нових.
6. Визначити гібридні системи на основі поновлюваних джерел енергії як перспективне рішення для децентралізованого електропостачання в сільській місцевості й вилучених об'єктів, а також для забезпечення акумулювання надлишків електричної енергії, зняття пікових навантажень при експлуатації сезонно й погодно залежних поновлюваних джерел енергії великої потужності (вітропарки).
Список литературы
1. Кара-Мурза С.Г. Научная картина мира, экономика и экология. http:// www.hrono.ru/libris/lib_k/ecec7.html. (дата обращения 03.02.2015)
2 Перспективы развития мировой электроэнергетики до 2035 года // Электроэнергия, передача и распределение. 2011. № 2. С.103.
3 Tugcu C., Ozturk I., Alper А. Renewable and non-renewable energy consumption and economic growth relationship revisited: Evidence from G7 countries. Energy Economics, Volume 34. Issue 6. November 2012. р. 1942.
4 United Nations Environment Programmed. http://www.ecolife.ru/infos (дата обращения 22.11.2015).
5 Инвестиции в возобновляемые источники энергии достигли рекорда. https://lenta.ru/news/2016/01/14/investment/ (дата обращения 14.01.2016).
6 BNEF.http://aenergy.ru/3873/ (дата обращения 18.02.2016).
Поділитися