Исследование методов повышения эффективности гибридных систем возобновляемых источников энергии на основе фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Костик Никита Русланович

• Костик Никита Русланович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Костик Никита Русланович

Введение

1 Потенциал возобновляемых энергетических ресурсов в энергетике и их взаимодополняемость

1.1 Потенциал использования возобновляемых ресурсов в российской и мировой энергетике

1.2 Взаимодополняемость возобновляемых ресурсов

1.3 Выводы по первой главе

2 Исследование оптимальной конфигурации системы гибридного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии с использованием гетероструктурной солнечной энергетики

2.1 Обобщенная структура гибридных систем возобновляемых источников энергии

2.2 Выявление критериев, влияющих на эффективность функционирования гибридных систем возобновляемых источников энергии, и формирование

категорий таких критериев

2.2.1 Технические критерии

2.2.1.1 Солнечная радиация

2.2.1.2 Температура окружающей среды

2.2.1.3 Продолжительность светового дня

2.2.1.4 Расстояние до сетевого соединения

2.2.1.5 Занимаемая площадь

2.2.1.6 Альбедо поверхности земли

2.2.1.7 Расстояние до жилых районов

2.2.1.8 Расстояние до логистических центров и путей снабжения

2.2.1.9 Второстепенные климатические параметры (скорость ветра и среднее количество осадков)

2.2.1.10 Материалы и структуры ФЭП

2.2.1.11 Угол наклона ФЭП

2.2.1.12 Наличие систем концентрирующей оптики

2.2.2 Экономические критерии

2.2.2.1 Первоначальные инвестиционные затраты

2.2.2.2 Годовой доход

2.2.2.3 Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание

2.2.2.4 Расходы на строительство/инфраструктуру

2.2.2.5 Стоимость земли

2.2.2.6 Приведенная стоимость электроэнергии

2.2.2.7 Показатели экономической эффективности (NPV, IRR, RoI)

2.2.2.8 Субсидии местных органов власти

2.2.2.9 Влияние на региональное развитие и местную экономику

2.2.2.10 Коммунальная плата за электроэнергию (цена электроэнергии для потребителей)

2.2.3 Критерии влияния на окружающую среду (экологические критерии)

2.2.3.1 Структура почвы и геология

2.2.3.2 Воздействие на окружающую среду

2.2.3.3 Визуальное воздействие

2.2.3.4 Световое загрязнение

2.2.3.5 Сокращение выбросов углерода

2.2.3.6 Воздействие на дикую природу

2.2.3.7 Загрязнение и запыление объектов

2.2.3.8 Охраняемые и заповедные территории

2.2.4 Социальные/политические критерии

2.2.4.1 Наличие квалифицированной рабочей силы

2.2.4.2 Нормативные границы

2.2.4.3 Общественное признание/поддержка

2.2.4.4 Политическая поддержка

2.2.4.5 Правовые ограничения

2.3 Результаты оценки весомости рассматриваемой группы критериев

2.4 Результаты формирования основных критериев для оценки

2.5 Алгоритм применения методики многокритериального анализа в сочетании с методом аналитической иерархии разнородных параметров при

моделировании параметров и условий эксплуатации ГСВИЭ для заданного географического положения

2.6 Применение методики многокритериального анализа на основе аналитической иерархии для расчета систем ГСВИЭ

2.6.1 Расчет систем ГСВИЭ в Республиках Алтай и Саха Якутия

2.6.2 Расчет систем ГСВИЭ, располагающихся на территории Финского залива

2.6.3 Расчет систем ГСВИЭ, располагающихся на территории Бенгальского залива (Индия)

2.6.4 Сравнительный расчет систем ГСВИЭ, располагающихся на территории в малых населенных пунктов, на примере Российской Федерации и Узбекистана

2.7 Выводы по главе

3 Исследование технических методов повышения эффективности гсвиэ на основе фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения

3.1 Концентраторные системы преобразования солнечного излучения

3.2 Системы слежения за положением Солнца (гелиотрекеры)

3.2.1 Характеристики датчиков слежения за положением Солнца

3.2.2 Возможные подходы к реализации

3.2.3 Разновидности применяемых датчиков

3.2.4 Формирование требований к применяемому датчику положения Солнца

3.3 Разработка фоточувствительного датчика системы слежения за Солнцем

3.4 Комбинированные системы генерации фотоэлектрической и тепловой энергии

3.4.1 Разновидности ГФЭТ

3.4.2 Использование ГФЭТ для охлаждения ФЭП

3.4.3 Конструкция разрабатываемой ГФЭТ

3.4.4 Расчет параметров ГФЭТ

3.5 Выводы по главе и практические результаты

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование методов повышения эффективности гибридных систем возобновляемых источников энергии на основе фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современном мире энергетика неразрывно связана с экономикой и качеством жизни, поэтому вопросы устойчивости энергосистем и высокого уровня электрификации страны являются наиболее важными. В виду специфики централизованной системы энергоснабжения Российской Федерации и большой площади страны, не все удаленные регионы способны получать электроэнергию в достаточном объеме. В настоящий момент изолированные регионы используют децентрализованные источники энергии в виде дизельных генераторных установок. Неравномерность развития инфраструктуры и сложные логистические цепочки приводят к увеличению зависимости систем электроснабжения от ископаемого топлива. В труднодоступных районах проблема может усугубляться вследствие недостаточной регулярности и высокой стоимости топливных поставок. В то же время, многие удаленные регионы обладают благоприятными климатическими условиями для внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одними из наиболее перспективных типов ВИЭ в настоящее время являются фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения (ФЭП). Благодаря своим высоким технико-эксплуатационным характеристикам, системы на основе ФЭП могут быть реализованы в любой точке на поверхности Земли при соблюдении условий достаточной освещённости поверхности. Однако большинство возобновляемых источников энергии обладают значительным недостатком - зависимостью от климатических условий. Это означает, что в случае отсутствия благоприятных для выработки электроэнергии погодных условий, например, при отсутствии достаточной скорости ветра для генерации электроэнергии при помощи ветровых генераторов или в ночное время суток для фотоэлектрических преобразователей, эффективное производство электроэнергии затруднительно. Одним из решений этой проблемы может быть расширение системы накопления электроэнергии, которая позволяет сохранить избыток электроэнергии, генерирующейся в период высокой активности систем ВИЭ, и

обеспечивает использование этой электроэнергии в периоды высокой потребности в ней. Данное решение не всегда является оптимальным, поскольку расширение системы накопления электроэнергии приводит к увеличению начальных капиталовложений и, соответственно, к увеличению стоимости электроэнергии.

Альтернативным вариантом обеспечения стабильного доступа к электроэнергии является сочетание в одной системе как традиционных, так и возобновляемых источников энергии. Применение подобных гибридных систем возобновляемых источников энергии (ГСВИЭ) является одним из наиболее перспективных методов энергообеспечения объектов, удаленных от систем централизованного энергоснабжения, без значительного увеличения стоимости генерируемой электроэнергии и стоимости реализации системы.

Построение ГСВИЭ с высокими показателями эффективности является задачей, решение которой зависит от множества факторов и параметров. Это существенно усложняет решение задачи по нахождению наилучшего варианта конфигурации системы гибридного энергоснабжения. Факторы влияющие на показатели эффективности ГСВИЭ могут быть условно разделены на внешние -факторы, находящиеся вне зоны прямого воздействия со стороны исследователя (климатические, экономические, социально-политические особенности), и внутренние - технические характеристики системы, на которые исследователь способен оказать прямое воздействие, изменяя ее конфигурацию. Таким образом, эффективность ГСВИЭ может быть повышена путем оптимизации компонентов системы, изменения алгоритмов работы компонентов, а также использования дополнительных технологий, повышающих эффективность процесса преобразования фотоэлектрической энергии. Влияние внешних факторов может быть учтено на этапе проектирования системы путем рассмотрения географического положения системы, социально-политических особенностей выбранного региона, климатического режима и других факторов, напрямую или косвенно влияющих на показатели эффективности.

Степень разработанности. В настоящее время в литературе основное внимание уделено рассмотрению технических методов повышения эффективности

фотопреобразователей солнечного излучения. Также довольно широко представлены исследования влияния климатических параметров на эффективность солнечных фотопреобразователей и энергетических систем на их основе. Тем не менее, ряд факторов, оказывающих существенное воздействие на эффективность фотоэлектрических преобразователей в составе ГСВИЭ, до сих пор рассмотрены недостаточно подробно. В частности, особую важность имеют следующие факторы:

- влияние совокупности нескольких географических, экономических и социально-политических факторов на эффективность реализуемой гибридной системы возобновляемых источников энергии;

- влияние двух и более источников возобновляемой энергии на выходные показатели эффективности системы;

- взаимодополняемость и соотношение разных источников электроэнергии в периоды нехватки отдельных возобновляемых ресурсов для генерации электроэнергии в достаточном объеме;

- объединение источников фотовольтаической генерации энергии с системами генерации тепловой энергии для повышения общего показателя комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и их влияния на показатели эффективности генерации энергии.

Объект исследования - гибридные системы возобновляемой энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

Предмет исследования - методы повышения эффективности ГСВИЭ и их оптимизация с учетом многофакторного анализа входных данных, влияющих на показатели генерации гибридной системы возобновляемых источников энергии.

Цель работы - исследование методов повышения эффективности гибридных систем возобновляемых источников энергии на основе фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: 1. Рассмотреть потенциал возобновляемых энергетических ресурсов в

российской и мировой энергетике, их географического распределения и

взаимодополняемости.

2. Определить обобщенную структуру гибридной системы возобновляемых источников энергии, описать основные блоки и компоненты, входящие в ее состав.

3. Выявить критерии, влияющие на эффективность функционирования ГСВИЭ, сформировать категории таких критериев и выстроить их иерархию.

4. Отработать алгоритм применения методики многокритериального анализа в сочетании с методом аналитической иерархии разнородных параметров при моделировании параметров и условий эксплуатации ГСВИЭ для заданного географического положения.

5. С использованием выработанных методик произвести оценку параметров ГСВИЭ для различных географических точек на поверхности Земли на примере России (Республики Алтай и Саха Якутия, Финский залив) и других стран с высоким возобновляемым потенциалом внедрения ГСВИЭ (Узбекистан и Индия).

6. Разработать многосегментный датчик системы слежения за положением Солнца, определить его принцип действия и конфигурацию, рассчитать параметры конструкции датчика.

7. Произвести анализ и расчет конфигурации комбинированной системы генерации электрической и тепловой энергии с улучшенными показателями эффективности.

8. Произвести расчет эффективности генерации электрической и тепловой энергии при реализации ГСВИЭ с концентраторной системой преобразования солнечного излучения, оборудованной системой активного водяного охлаждения ФЭП на основе испарителя воздушной теплонасосной установки (ТНУ).

9. Определить улучшение показателей эффективности преобразования энергии в ТНУ с учетом применения систем активного жидкостного охлаждения ФЭП в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии и изменение температурного диапазона его эффективного функционирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения раздела термодинамики и теории основ мультиопераций для формирования методики многокритериального анализа. В качестве инструментария для решения поставленных задач в исследовании применялись специализированные программы пакета HOMER Pro для моделирования условий эксплуатации систем возобновляемой энергетики, технико-экономического анализа, расчета вредных выбросов в атмосферу.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается сравнением расчетов с параметрами, достигнутыми для развернутых в настоящее время систем возобновляемых источников энергии, и достигнутой высокой точности расчетов, проведенных с использование разработанной методики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- Сочетание методики многокритериального анализа с методом аналитической иерархии разнородных параметров при моделировании условий эксплуатации гибридных систем возобновляемой энергетики обеспечивает определение их важнейших технических, конструкционных и тепловых параметров при оптимизации конфигурации системы для заданного географического положения.

- Использование многосегментной конфигурации датчика слежения за положением Солнца обеспечивает повышенную стабильность работы в условиях длительной эксплуатации систем за счет снижения влияния эффектов разбалансировки элементов датчика на точность определения положения источника излучения и снижения коэффициента потерь генерации электроэнергии при расхождении угла положения до величин не более 2%.

- Совмещение гибридной системы возобновляемых источников энергии и воздушного теплового насоса обеспечивает более полное преобразование энергии солнечного излучения за счет использования фотоэлектрических преобразователей в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии, что позволяет увеличить эффективность теплового насоса (СОР) не менее чем до 2 и сместить

нижний предел температурного диапазона работы системы до минус 30 °С в зависимости от конфигурации применяемой системы

Научная новизна исследования заключается в следующем:

Предложена модификация метода многокритериального анализа в сочетании с методом аналитической иерархии для моделирования условий эксплуатации ГСВИЭ, позволяющая принять обоснованное решение о выборе параметров компонентов системы с обеспечением наилучших параметров эффективности гибридной системы возобновляемых источников энергии.

Показано, что влияние эффектов разбалансировки в элементах датчика слежения за положением Солнца, выполненного на основе многосегментной структуры, существенно снижено по сравнению с датчиками, сформированными на основе других конфигураций.

Показано, что применение испарителя воздушного теплового насоса в качестве охлаждающего контура для комбинированной системы теплового/фотовольтаического преобразования энергии, обеспечивает более эффективное использование энергии солнечного излучения и расширяет рабочий диапазон температур теплового насоса.

Практическая и теоретическая значимость исследования:

Разработана методика, основанная на сочетании методики многокритериального анализа и метода аналитической иерархии разнородных параметров гибридных систем возобновляемых источников энергии, позволяющая проводить расчет и оптимизацию систем для заданного географического положения на поверхности Земли и обеспечивающая определение важнейших технических, конструкционных и тепловых параметров для достижения наилучшей эффективности систем.

Создан датчик с многосегментной конфигурацией расположения фоточувствительных устройств, состоящей из 12 сегментов, суммарно покрывающих 180° в области траектории движения Солнца, что позволило реализовать систему слежения на основе использования фотосопротивлений с пониженным числом единовременно опрашиваемых сегментов, увеличенным

периодом опроса и способностью функционировать в условиях разбалансировки чувствительности фотодатчиков системы слежения. Достигнутый коэффициент потерь генерации электроэнергии при расхождении угла положения снижен до величин не более 2%.

Произведен расчет системы генерации электрической и тепловой энергии на основе совмещения гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей и воздушного теплового насоса, позволяющей повысить суммарную эффективность системы и увеличить диапазон рабочих температур теплового насоса.

Разработана гибридная система тепловой и фотовольтаической генерации энергии с увеличенной эффективностью теплового насоса (СОР) до 2 с расширенной нижней границей рабочих температур окружающей среды эффективного использования теплового насоса до минус 30 °С в зависимости от конфигурации применяемой системы.

Реализация результатов работы:

Результаты исследования и сформированная методика внедрены в учебный процесс кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при проведении занятий по курсу «Компьютерное моделирование гибридных систем возобновляемой энергетики» и «Computer Simulation of Hybrid Renewable Energy Systems».

Апробация результатов. Основные положения и результаты научно-квалификационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики», 18-20 ноября 2019 г.; «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», 5-7 июля 2021 г.; Международная конференция «International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech)», 14-15 октября 2021 г.; Международная научно-практическая конференция «Развивая энергетическую повестку будущего», 10-11 декабря 2021 г.; XVII-й Международный молодежный научно-экологический форум стран Балтийского региона «ЭКОБАЛТИКА», 16-17 июля 2020 года; XVHI-й Международный молодежный научно-экологический форум стран Балтийского региона «ЭКОБАЛТИКА», 15-16 декабря 2021 года; Конференция российских молодых

ученых в области электротехники и электронной техники «IEEE Russia North West Section (ElConRus)», 23-27 января 2023 года.

Публикации. По теме исследования было опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 работы, в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований, 5 трудов в индексированных в базах WoS и Scopus c индексом Q4. В каждой работе личный вклад автора составляет не менее 50%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 100 наименований отечественных и зарубежных источников информации. Общий объем работы составляет 144 страницы. Содержит 21 таблицу и 46 рисунков.

1 ПОТЕНЦИАЛ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ И ИХ ВЗАИМОДОПОЛНЯЕМОСТЬ

Несмотря на то, что экономический критерий часто имеет решающее значение при построении ГСВИЭ, техническая и экономическая эффективность напрямую зависит от показателей выработки системы. Генерация при помощи ВИЭ зависит от климатических условий, в которых система реализована. В это главе рассмотрено распределение возобновляемых ресурсов с учетом их взаимодополняемости.

1.1 Потенциал использования возобновляемых ресурсов в российской и мировой энергетике

К возобновляемым ресурсам, которые могут быть использованы для генерации электрической энергии, могут быть отнесены энергия солнечного излучения, энергия ветра, энергия гидроисточников (крупные, малые и микроГЭС, а также приливные станции), геотермальная энергия, энергия низкопотенциального тепла, энергия биомассы (биотопливо и т.п.). Такие ресурсы, также называемые возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), находят все большее применение для создания энергических установок различного типа.

Гидроэнергетика является наиболее распространенным возобновляемым источником энергии в мире. Установленная мощность гидроэлектростанций в мире превышает 1295 ГВт, что составляет более 18% от общей установленной мощности электростанций в мире и более 54% от мировой мощности возобновляемых источников энергии.

Китай обладает самыми большими в мире мощностями по производству гидроэлектроэнергии. На эту страну пришлось около 40% от общего объема гидроэлектростанций, введенных в мире с 2018 года. Бразилия, США, Канада и Россия также обладают одними из крупнейших гидроэлектростанций в мире. Общий объем доступных ресурсов при использовании крупных ГЭС в Российской Федерации превышает 60 млрд. кВтч/год.

К сожалению, в настоящее время, потенциал гидроресурсов, требующих строительства крупных ГЭС, в значительной степени исчерпан. Весьма перспективно использование потенциала мелких и даже микроГЭС, что особенно актуально для обеспечения энегоснабжения регионов Сибири и Дальнего Востока. Большая часть ресурсов гидроэнергетического потенциала расположена в труднодоступных регионах России, Центральной и Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также на Северном Кавказе и на западе Урала. Дальневосточный регион и регионы западной Сибири обладают 80% всех ресурсов малой гидроэнергетики (рисунок 1.1). Общий потенциал таких станций по подсчетам превышает 200 млрд. кВтч/год. К сожалению, использование микроГЭС требует решения ряда технических проблем, затрудняющих их повсеместное внедрение. Более перспективным выглядит их применение в составе гибридных систем возобновляемых источников энергии.

Рисунок 1.1 - Гидроресурсы РФ, относительные величины [1]

Огромным потенциалом обладает солнечная энергетика. Общая мощность солнечного излучения на входе в атмосферу планеты Земля превышает 170000 ТВт. Мощность солнечного излучения на поверхности Земли достигает 120000 ТВт. Использование всего лишь 0,16% площади земной поверхности (260х260 км2) для создания солнечных электростанций с КПД 10% может обеспечить выработку

электроэнергии в 20 ТВт, что превышает потребности в энергии всех стран планеты.

К сожалению, распределение общей мощности солнечного излучения, падающего на поверхность планеты, очень неравномерно (рисунок 1.2). Тем не менее, установленная мощность солнечных электростанции уже превышает 500 ГВт. Это позволило солнечной энергетике занять ведущее место в мире среди возобновляемых источников энергии. За последние пять лет ежегодный прирост совокупной мощности солнечной энергетики составлял в среднем 25%, что делает ее самым быстрорастущим направлением ВИЭ.

Long-term average of global horizontal irradiation (GHI) Daily totals: 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8 4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4

Рисунок 1.2 - Мировое распределение общей плотности падающего солнечного

излучения [3]

Россия обладает значительным потенциалом для развития солнечной энергетики. В виду особенностей расположения и занимаемой площади, ресурсы возобновляемого потенциала равномерно распределены по обширной территории страны, общей площадью 17,1 млн км2. Районы с наибольшей перспективностью для внедрения солнечной энергетики расположены в горах Кавказа, на границе с Монголией и вблизи города Владивосток. В этих районах среднегодовая суточная сумма солнечной радиации составляет от 4 до 5,5 кВтч/м2 в сутки (рисунок 1.3).

По оценкам экспертов, длительность светового дня рядом с южными границами России составляет не менее 2 тыс. часов в год. В средней полосе страны - от 1700 до 2000 в год, в северных регионах - не более 1700 часов в год.

Солнечная радиация, кВт*ч/м'

1.5 2 д 2.5 |] 3 Ц 3,5 | Д Щ 5 Щ 5.5

• самст-пепреур-

Рисунок 1.3 - Распределение общей плотности падающего солнечного излучения на территории Российской Федерации, кВтч/м2 в день [1] Большим потенциалом обладает мировая ветровая энергетика (рисунок 1.4). Установленная мощность ветроэнергетики в настоящее время превысила 600 ГВт, что составляет более 25% от общей мировой мощности генерации на основе возобновляемых источников энергии. Китай с установленной мощностью более 200 ГВт является крупнейшим производителем ветровой энергии в мире, за ним следуют США (более 100 ГВт). Германия, Испания, Индия, Великобритания, Италия, Франция, Бразилия, Канада и Португалия - другие крупные страны-производители ветроэнергетики, на долю которых вместе с Китаем и США приходится более 85% всех ветроэнергетических мощностей в мире.

Рисунок 1.4 - Мировое распределение потенциала мировой ветроэнергетики [3]

В Российской Федерации высоким ресурсным потенциалом ветроэнергетики обладает Арктическая зона, в частности, в прибрежных районах, где отсутствует развитая энергетическая инфраструктура. На рисунке 1.5 показан годовой удельный технический потенциал энергии ветра на высоте 10 м, определенный в МВтч /год. Наибольшие показатели среднегодовой скорости ветра наблюдаются у берегов Баренцева, Карского, Берингова и Охотского морей (скорость ветра свыше 6 м/с). Также значительным ресурсным потенциалом ветроэнергетики обладают южные регионы России.

Рисунок 1.5 - Распределение скорости ветра на территории РФ, м/с [1] Кроме ресурсов солнечной, ветровой и гидроэнергетики, следует учитывать возможность использования энергии биомассы, что также по современной классификации относится к возобновляемым источникам энергии. Источником биотоплива может служить древесина и ее производные (рисунок 1.6). В частности, могут быть использованы древесносжигающие энергетические установки для гослесхозов и на деревообрабатывающих комбинатах. Источником также может служить солома и другие отходы сельскохозяйственного производства (так называемые фермерские котлы). Для использования других отходов сельхозпроизводства весьма перспективным считается использование биогазовых установок на крупных животноводческих фермах, свинофермах, птицефабриках и предприятиях пищевой промышленности. Разрабатываются установки добычи и

использования биогаза с крупных полигонов ТБО и станций очистки коммунальных стоков (мини-электростанции мощностью до 5 МВт). Ведутся работы над внедрением технологий совместного сжигания биомассы (древесной щепы, древесных гранул, тюков соломы) с углем (угольной пылью) как на существующих угольных электростанциях, так и с применением специализированных энергетических установок. Еще одним активно развивающимся в мире направлением является производство моторных топлив из биомассы (биоэтанол, биодизельное топливо).

Рисунок 1.6 - Распределение лесных массивов на территории РФ В настоящее время чистая мировая мощность по производству электроэнергии из биомассы превышает 120 ГВт, а мировая выработка биоэнергии выросла с 300 ТВт-ч в 2010 году до более чем 500 ТВт-ч. В России в качестве биотоплива также может рассматриваться торф, который является видом низкокалорийного ископаемого топлива с высокой скоростью возобновления. Россия обладает 30% мировых запасов торфа, которые присутствуют на большей части территории страны (рисунок 1.7) [2]. Ресурсный потенциал торфяной промышленности России на сегодняшний день неисчерпаем. Ежегодное пополнение его запасов составляет более 250 млн т, а объемы добычи не

превышают 1,5 млн т в последние десять лет (максимальные объемы добычи были достигнуты в середине прошлого века - 180 млн т в год) [50].

■ 71) «9

Рисунок 1.7 - Распределение запасов торфа на территории РФ, % занимаемой

площади [1]

1.2 Взаимодополняемость возобновляемых ресурсов

В последние годы стало понятно, что для рационального и эффективного использования возобновляемой энергии необходимо учитывать взаимосвязь между энергией, генерируемой различными возобновляемыми источниками энергии, такими, как ветер и Солнце, а также степень их изменчивости, с учетом которой можно сбалансировать недостаток энергии в одном источнике при помощи другого. Это имеет важное практическое значение с точки зрения потребности в хранении энергии и/или резервных мощностях (например, от гидроаккумулирующих станций, газовых или атомных электростанций), а также для эксплуатационных требований электрических сетей.

Существует ряд исследований, посвященных оценке влияния внешних факторов, взаимозаменяемости, прогнозированию и оптимизации переменчивых погодных условий, непосредственно влияющих на показатели выработки электроэнергии при помощи возобновляемых источников энергии. Например, в работах [4-6] смоделированы запросы по энергопотреблению Европы и других

мировых регионов с точки зрения хранения и балансирования энергии в соответствии со сценарием использования возобновляемых источников энергии. На основе результатов этих исследований были сделаны выводы о возможности использования оптимального баланса ветрового и солнечного потенциала, что для удовлетворения спроса требует больших объемов хранения. Они показывают, что непостоянство выработки электроэнергии при помощи ВИЭ можно уравновесить путем накопления избыточной энергии. Другие исследования также были посвящены поиску оптимального сочетания ветровой и солнечной энергии для разных регионов и с использованием данных, охватывающих разные периоды [68], которые демонстрируют включение нескольких типов ВИЭ снижает непостоянство в выработке электроэнергии, уменьшая потребность в резервах [9,10].

В этой связи становится весьма актуальным разработка и внедрение гибридных систем возобновляемых источников энергии, включающих в свой состав два или более источника возобновляемой энергии. Для увеличения устойчивости систем в ее состав также может быть включен энергетический узел, функционирующий на основе традиционного источника - бензиновой, дизельной или угольной генерации. Подобный подход позволяет обеспечить стабильное функционирование системы при любых погодных условиях в любое время суток. При этом возобновляемые источники энергии обеспечивают минимизацию применения традиционного топлива, по сути, использую его в резервном режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костик Никита Русланович, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по ресурсам ВИЭ России и местным видам топлива / Безруких П. П.[и др.]. - М.: ИАЦ, Энергия, 2007. - 397 с.

2. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов / под ред. Виссарионова В. И. - М.: изд. дом МЭИ, 2008. - 321 с.

3. ESMAP. Global Solar Atlas 2.0 Technical Report. . -2019. Washington, DC: World Bank.

4. Lu X. et. al. Global potential for wind-generated electricity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2006. - Vol. 106. - P.10933-10938.

5. Monforti, F.; Huld, T. et al. Assessing complementarity of wind and solar resources for energy production in Italy. a Monte Carlo approach // Renew. Energy. -2014. -Vol. 63. - P. 576-586.

6. Heide, D.; Greiner, M.; von Bremen, L.; Hoffmann, C. Reduced storage and balancing needs in a fully renewable european power system with excess wind and solar power generation // Renew. Energy - 2011. - Vol. 36(9). -P. 2515-2523.

7. Heide, D.; von Bremen, L.; Greiner, M.; Hoffmann, C.; Speckmann, M.; Bofinger, S. Seasonal optimal mix of wind and solar power in a future, highly renewable Europe // Renew. Energy. - 2010. - Vol. 35(11). - P. 2483-2489.

8. Lund, H. Large-scale integration of optimal combinations of PV, wind and wave power into the electricity supply // Renew. Energy. - 2006. - Vol. 31(4). - P. 503515.

9. Sousa, J.; Martins, A. Optimal renewable generation mix of hydro, wind and photovoltaic for integration into the Portuguese power system // 10th International Conference on the European Energy Market (EEM), IEEE. - 2013. - P. 1-6.

10. Widen, J. Correlations between large-scale solar and wind power in a future scenario for Sweden // IEEE Trans. Sustain. Energy. - 2011. - Vol. 2(2). - P.177-184.

11. Jayaswal, K.; Sharma, G.S.; Bhaskar, M.S.; et al. Global Solar Insolation Estimation and Investigation: A Case Study of Various Nations and Cities // IEEE Access. - 2021. - Vol. 9. - P. 88069-88084.

12. Гульков В.Н., Колесниченко И.Д., Коротков К.Е. Исследование влияния нагрева солнечных модулей на эффективность преобразования излучения // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 1. С. 10-16.

13. Levelized Cost of Energy Analysis, Version 13.0, 2019 and Levelized Cost of Storage Analysis, Version 5.0, 2019, [Online access] URL: https://www.lazard.com/perspective/lcoe2019

14. Branker, K. et. al.. A review of solar photovoltaic levelized cost of electricity // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2011;15: P. 4470-82.

15. Wang, X. et. al. The value of module efficiency in lowering the levelized cost of energy of photovoltaic systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews/ -2011;15. P. 4248-54.

16. International Renewable Energy Agency (IRENA). Renewable Energy Technologies: Cost analysis series. Volume 1, Power Sector, Issue 2/5, Concentrating Solar Power. /http://www.irena.org/DocumentDownloads/ Publications/RE_Technologies_Cost_Analysis-CSP.pdf. (дата псоещения 2.12.2021)

17. Dupont, E. et. al., Global available solar energy under physical and energy return on investment constraints // Applied Energy. - Vol. 257, - 2020,

18. Billinton, R. Allan, R.N. Reliability evaluation of engineering system // New York: Longmans, London/Plenum Press; 1983.

19. Goel L. Power system reliability cost/benefit assessment and application in perspective // Comput Electr Eng -1998. - Vol. 24(5). P. 315-24.

20. Lin, J.; Cheng, L.; Chang, Y. et al. Reliability based power systems planning and operation with wind power integration: a review to models, algorithms and applications // Renew Sustain Energy Rev. - 2014; - Vol.31. P. 921-34.

21. Jiang, W.; Yan Z.; Feng, D.H. A review on reliability assessment for wind power // Renew Sustain Energy Rev - 2009. - Vol. 13(9). P. 2485-94.

22. Borges, C.L.T. An overview of reliability models and methods for distribution systems with renewable energy distributed generation // Renew Sustain Energy Rev. - 2012. - Vol.16(6). P. 4008-15.

23. Lesser, J. et. al. Design of an economically efficient feed-in tariff structure for renewable energy development // Energy Policy, - 2008. - Vol. 36(3).P. 981-990.

24. Pehnt, M. Dynamic life cycle assessment (LCA) of renewable energy technologies // Renew. Energy. - 2006. - Vol. 31 (1). P. 55-71.

25. Kais, S. et. al. Nuclear energy, renewable energy, CO2 emissions, and economic growth for nine developed countries: Evidence from panel Granger causality tests. // Progress in Nuclear Energy. - 2016. - Vol. 88. P. 364-374,

26. Lerede, D., et. Al. Application of a Stochastic Multicriteria Acceptability Analysis to support decision-making within a macro-scale energy model: Case study of the electrification of the road European transport sector // Energy. - 2021, - Vol. 236.

27. Deveci, M. Evaluation of criteria for site selection of solar photovoltaic (PV) projects using fuzzy logarithmic additive estimation of weight coefficients // Energy Reports. - 2021. - Vol. 7. P. 8805-8824.

28. Волокобинский М. Ю., Пекарская О.А., Рази Д. А., Принятие решений на основе метода анализа иерархий // Финансы: теория и практика. 2016. №2 (92).

29. Ногин В. Д., Упрощенный вариант метода анализа иерархий на основе нелинейной свертки критериев // Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 44:7 (2004), C. 1261-1270;

30. Kereush, D.; Perovych I. Determining criteria for optimal site selection for solar power plants // Geomatics, Landmanagement and Landscape No4, - 2017, P. 3954.

31. Pamucar, D.; Zizovic, M.; Biswas, S.; Bozanic, D. 2021. A new logarithm methodology of additive weights (LMAW) for multi-criteria decision-making: Application in logistics // Facta Univ. Ser. Mech. Eng. 19 (3), P. 361-380.

32. NASA Power (NASA SSE) https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (Дата обращения: 1.12.2022 г.)

33. Homer Energy. Интернет сайт. - Адрес доступа: http://www.homerenergy.com/ (Дата обращения: 11.12.2020 г.)

34. Бобыль А. В. и др. Перенормируемая модель оценки экономической эффективности солнечных электростанций //Известия Российской Академии наук. Энергетика. - 2017. - №. 6. - С. 46-58.

35. Теруков Е.И. «Разработка тонкопленочных фотоэлектрических модулей тандемного типа с улучшенными технико-экономическими параметрами для применения в составе автономных и сетевых энергоустановок с созданием экспериментального производства фотоэлектрических модулей». Шифр «2011-2.6526-038», научно-технический отчет гос. контракт № 16.526.12.6017 от 14.10.2011 г., Санкт-Петербург, 2011 г.

36. Halamay, D. et al. Reserve requirement impacts of Large-Scale integration of wind, solar, and ocean wave power generation // IEEE Trans. Sustain. Energy. - 2011. - Vol. 2(3). - P. 321-328.

37. Monzikova, K. et al. Estimation of wind power potential of the Gulf of Finland // Proceedings of the Russian State Hydrometeorological University. - 2013. -Vol. 30. - P.116-133.

38. Гржибовский А. М. Корреляционный анализ //Экология человека. -2008. - №. 9. - С. 50-60.

39. Костик, Н. Р. Оценка климатологического влияния на возобновляемые источники энергии в районе Финского залива // Развивая энергетическую повестку будущего : Сборник докладов Международной научно-практической конференции для представителей сообщества молодых инженеров ТЭК. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина), - 2021. С. 105-109. - URL: https://eaf.etu.ru/assets/files/eaf21/papers/105-109.pdf (дата обращения: 15.02.2022). -Текст: электронный.

40. IRENA (2022), Renewable Energy Statistics 2022, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi

41. Бобыль А. В. и др. Анализ применимости коммерческих программ технико-экономического моделирования солнечных энергоустановок //Технологии и технические средства производства продукции растениеводства и животноводства. - 2019. - №. 2 (99).

42. Ценообразование [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.npsr.ru/ru/market/retail/ceno/index.html (дата обращения 12.12.2020)

43. Smirnova, S. Problemy issledovanija i matematicheskogo modelirovanija jekosistemy Baltijskogo morja. Issue.5. (Jekosistemnye modeli. Ocenka sovremennogo sostojanija Finskogo zaliva Ch.2.), P. 175-188, (1997).

44. Bett, P.; Thornton, E.H. The climatological relationships between wind and solar energy supply in Britain // Renewable Energy. - 2016. -Volume 87, p.96-110.

45. Kostik, N. et. al. Modelling Energy Production and Consumption in Relation to Climate Parameters. 273-277. 10.1109/EExPolytech53083.2021.9614785.

46. How solar power could transform rural India // Johannes Urpelainen Johns Hopkins School of Advanced International Studies. URL: https://thigc.org (дата обращения: 14.11.2020)

47. Hays, G. C. et al. The importance of sand albedo for the thermal conditions on sea turtle nesting beaches //Oikos. - 2001. - Vol. 93. - №. 1. - P. 87-94.

48. Warren, S. G. Optical properties of snow //Reviews of Geophysics. - 1982. - Vol. 20. - №. 1. - P. 67-89.

49. Branker, K.; Pathak, M. J. M.; Pearce J. M. A review of solar photovoltaic levelized cost of electricity //Renewable and sustainable energy reviews. - 2011. - Vol. 15. - №. 9. - P. 4470-4482.

50. Костик Н.Р., Сипатдинов А.М., Бобыль А.В., Эрк А.Ф. «Оценка потенциала Российской Федерации и Узбекистана для внедрения солнечных систем возобновляемой энергетики» // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. N3(44). С. 86-103.

51. Арзикулов Ф. Ф., Мустафакулов А. А. Возможности использования возобновляемых источников энергии в Узбекистане // НИЦ Вестник науки. - 2020.

52. Мустафакулов А. А. и др. Использование альтернативных источников энергии в горных районах Джизакской области Узбекистана // Интернаука. - 2020.

- №. 41-1. - С. 73-76.

53. Naumann, M. et. al. Lithium-ion battery cost analysis in PV-household application. Energy Procedia -2015. - Vol.73. P. 37 - 47.

54. Sarker, S. Feasibility analysis of a renewable hybrid energy system with producer gas generator fulfilling remote household electricity demand in Southern Norway // Renewable Energy. -2016. Vol. 87(1). P. 772-781.

55. Эргашев С. Ф., Хайдаров А., Мамадиева Д. Система автоматизации солнечных коллекторов //Точная наука. - 2019. - №. 43. - С. 6-8.

56. Стребков, Д. С. Обзор основных типов и конструкций солнечных модулей с призматическими концентраторами // Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. - 2014. - Т. 4. - С. 168-171

57. Mills, D.R.; Guitranich, I.E. Ideal prism solar concentrators // Solar Energy.

- 1978. - Vol. 21. P. 432-430.

58. Тверьянович Э.В. Выбор конструктивных параметров призменных концентраторов солнечного излучения // Гелиотехника. - 1981, - Vol. 6, P. 16-19.

59. Базарова Е.Г. Повышение эффективности использования солнечной энергии в энергетических установках с концентраторами: дис. канд. техн. наук. М.,

- 2018. 142 с

60. Охорзина А. В. и др. Системы слежения за Солнцем с применением ФЭД // Ползуновский вестник. - 2012. - №. 2-1. - С. 213-217.

61. Обухов С. Г., Плотников И. А. Выбор параметров и анализ эффективности применения систем слежения за солнцем // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2018. - Т. 329. - №. 10. - С. 95-106.

62. Гумен, В.Ф. Следящий шаговый электропривод / В.Ф. Гумен, Т.В. Калининская. - М. : Энергия, 1980. - 168 с.

63. Lefevre, H.C. The fiber-optic gyroscope - Norwood // MA: Artech house, -2022 . P. 483.

64. Chai, K. K.; Tay, M. K. Development of a solar photovoltaic system equipped with a sun tracker system: a case study in Kuching, Sarawak [Электронный ресурс] / K. K. Chai, M. K. Tay //IJRRAS. -2011. - № 7 (4). - Режим доступа: http://www.arpapress.com/Volumes/Vol7Issue4/IJRRAS_7_4_04.pdf (дата обращения: 16.12.22).

65. Охорзина А.В., Китаева М.В., Юрченко А.В., Скороходов А.В. Системы слежения за солнцем с применением ФЭД / // Ползуновский вестник. -2012. - № 2/1. - С. 213-217.

66. Аржанов К. В. Автоматизированная система непрерывно-дискретного слежения за Солнцем автономных фотоэлектрических энергоустановок с использованием шаговых двигателей: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.06 / ФГБОУ ВО Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2016. - Режим доступа: https://storage.tusur.ru/files/50402/dissertation.pdf

67. Горшков В. Г. Тепловые насосы //Аналитический Обзор//Справочник промышленного оборудования. - 2004. - №. 2. - С. 80.

68. Maghrabie, H. M. et al. Building-integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) systems: Applications and challenges //Sustainable energy technologies and assessments. - 2021. - Vol. 45. - P. 1011-51.

69. Good, С. et. al. Solar energy for net zero energy buildings - A comparison between solar thermal, PV and photovoltaic-thermal (PV/T) systems // Solar Energy. -2015. - Vol. 122. P. 986-996.

70. Riahi, A. et al. Performance investigation of a concentrating photovoltaic thermal hybrid solar system combined with thermoelectric generators //Energy Conversion and Management. - 2020. - Vol. 205. - p. 1123-77.

71. Nazri, N. S. et al. Energy economic analysis of photovoltaic-thermal-thermoelectric (PVT-TE) air collectors // Renew Sustain Energy Rev - 2018 -Vol. 92. P.187-97.

72. Assoa, Y.B. et. al. Dynamic study of a new concept of photovoltaic-thermal hybrid collector // Sol Energy. -2014. -Vol. 107. P. 637-52.

73. Ibrahim, A. et. al. Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) air and water based solar collectors suitable for building integrated applications // American Journal of Environmental Sciences. -2009(5). P. 618-24.

74. Alves, P. et. al. From Sweden to Portugal: the effect of very distinct climate zones on energy efficiency of a concentrating photovoltaic/thermal system (CPV/T) // Sol Energy -2019. -Vol.188. P. 96-110.

75. Khelifa, A. et. al. Modeling and detailed study of hybrid photovoltaic thermal (PV/T) solar collector // Sol Energy. - 2016. - Vol.135. P.169-76.

76. Ren, X. et al. Feasibility of an innovative amorphous silicon photovoltaic/thermal system for medium temperature applications. // Appl Energy. -2019. -Vol. 252:113427.

77. Haiping, C. et. al. Experimental study on a flash tank integrated with low concentrating PV/T (FT-LCPVT) hybrid system for desalination. // Appl Therm Eng. -2019 -Vol. 159:113874.

78. Crisostomo, F, Taylor RA, Zhang T, Perez-Wurfl I, Rosengarten G, Everett V, et al. Experimental testing of SiNx/SiO2 thin film filters for a concentrating solar hybrid PV/T collector. // Renew Energy. - 2014. - Vol.72. P. 79-87.

79. Widyolar, B. et al. Theoretical and experimental performance of a two-stage (50X) hybrid spectrum splitting solar collector tested to 600°C.// Appl Energy. - 2019. -Vol. 239. P. 514-25.

80. Riggs, B. C. et. al. Technoeconomic analysis of hybrid PV/T systems for process heat using electricity to subsidize the cost of heat. // Appl Energy. - 2017. -Vol. 208. P.1370-8.

81. Daneshazarian, R. et. al. Concentrating photovoltaic thermal (CPVT) collectors and systems: theory, performance assessment and applications.// Renew Sustain Energy Rev. - 2018. -Vol 81. P. 473-92.

82. Tripanagnostopoulos, Y. Aspects and improvements of hybrid photovoltaic/thermal solar energy systems. // Solar Energy. - 2007. - Vol. 81(9). P. 11171131.

83. Maadi, S.R. et. al. Coupled thermal-optical numerical modeling of PV/T module - combining CFD approach and two-band radiation DO model. // Energy Convers Manag. - 2019. - Vol.198. P.1117-81.

84. George, M. et. Al. Concentrated photovoltaic thermal systems: a component-by-component view on the developments in the design, heat transfer medium and applications. // Energy Convers Manag. - 2019. - Vol. 186. P. 15-41.

85. Balaras, C. et. al. European residential buildings and empirical assessment of the Hellenic building stock, energy consumption, emissions and potential energy savings. // Building and Environment. - 2007. - Vol. 42. P. 1298-1314.

86. Ji, J. et. al. Sensitivity Study of a Hybrid Photovoltaic/Thermal Water-Heating System with Natural Circulation. // Applied Energy, 84, 222-237. https://doi.org/10.1016Zj.apenergy.2006.04.009

87. Dupre, O. et. al. Thermal Behavior of Photovoltaic Devices. // Physics and Engineering. - 2017. 10.1007/978-3-319-49457-9.

88. Давидюк Н. Ю., Андреев В. М. и др., Теплоотводящие электроизолирующие платы для фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения // Письма в ЖТФ, - 2020, - том 46 (9), С. 29-31

89. Kirpichnikova, I.; Makhsumov, I. Construction of energy characteristics of solar modules taking into account the environment. Bulletin of Perm National Research Polytechnic University, // Electrotechnics, informational technologies, control systems. -2020. P. 56-74.

90. Rodrigo, P. et. al. (2014) Review of the Methods for the Calculation of Cell Temperature in High Concentration Photovoltaic Modules for Electrical Characterization. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2014. - Vol. 38. P. 478-488.

91. Ju, X. et. al. (2017) A Review of the Concentrated Photovoltaic/Thermal System (CPVT) Hybrid Solar Systems Based on the Spectral Beam Splitting Technology. // Applied Energy. - 2017. - Vol. 187. P. 534-563.

92. Li, M. et. al. Performance Study of Solar Cell Arrays Based on a Trough Concentrating Photovoltaic/Thermal System. // Applied Energy, - 2011. - Vol. 88. P. 3218-3227.

93. Александрова М. Д., Садчиков Н.А. Комбинированная радиальная линза френеля для наземных концентраторных модулей // XI международная научно-практическая конференция «Наука настоящего и будущего» Том 1. Сборник материалов конференции. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2023. -275 с.

94. Kandil, K.M. et al. Assessment of High Concentrated Photovoltaic/Thermal Collector in Hot Climate // Smart Grid and Renewable Energy, - 2019. -Vol. 10, P. 119140.

95. ГОСТ 34346.1-2017. Межгосударственный стандарт. Тепловые насосы с водой в качестве источника тепла. Испытания и оценка рабочих характеристик Часть 1 Тепловые насосы "вода-воздух" и "рассол-воздух". (утв. и внесен Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 сентября 2018 г. N 655-ст).

96. Duffle, J.A. and Beckman, W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. 2nd Edition, Madison, - 2013. New York; John Wiley & Sons, Hoboken.

97. Incropera, F.P.; Dewitt, D.P.; Bergman, T.L.; Lavine, A.S. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. // John Wiley & Sons Inc., Hoboken, NJ.

98. Chow, T.T. et. al. Energy and Exergy Analysis of Photovoltaic-Thermal Collect with and without Glass Cover. // Applied Energy. - 2009. - Vol. 86. P. 310-316.

99. Buonomano, A. et. al. (2013) A Novel Solar Trigeneration System Based on Concentrating Photovoltaic/Thermal Collectors. Part 1: Design and Simulation Model. // Energy, - 2013. - Vol. 61. P. 59-71.

100. Haller, M. et. al. SOL-HEAP. Solar and Heat Pump Combisystems. Final report. Swiss Federal Office of Energy. - 2014.