Повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Тихонов, Антон Валентинович

• Тихонов, Антон Валентинович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тихонов, Антон Валентинович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Существующие энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии, перспективы их эффективного комбинированного использования

1.1 Возобновляемые источники энергии, особенности их использования

1.2 Установки преобразования возобновляемых источников энергии

1.3 Принципы комбинированного использования возобновляемых источников энергии

1.4 Дополнительное оборудование

1.5 Существующие варианты комбинированных систем автономного электроснабжения

1.6 Выбор направления исследований

Постановка задач диссертации

2 Современные средства разработки и исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, проведение теоретических исследований

2.1 Структурная блок-схема комбинированной системы автономного электроснабжения

на основе возобновляемых источников энергии

2.2 Программный комплекс определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

2.2.1 Методика определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

2.2.2 Описание программного комплекса

2.3 Оптимизационные исследования применения комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

2.4 Проверка достоверности результатов оптимизации

2.5 Исследования эффективности схемного построения комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

2.6 Электродинамическая модель комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

2.7 Разработка и описание алгоритмов автоматической системы управления и контроля

2.8 Исследования функционирования комбинированной системы автономного

электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Выводы по главе

3 Физическая модель комбинированной системы автономного электроснабжения

на основе возобновляемых источников энергии

3.1 Конструкция физической модели комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

3.2 Экспериментальные исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

3.3 Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих

возобновляемые источники энергии

Выводы по главе

4 Перспективные области применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

4.1 Применение комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

4.2 Экономическая эффективность применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

4.2.1 Общие положения по оценке экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

4.2.2 Оценка экономической эффективности комбинированных систем автономного

электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Выводы по главе

Заключение

Список принятых сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А (обязательное) Силовая схема комбинированной системы автономного

электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Приложение Б (рекомендуемое) Графики, характеризующие процесс моделирования

работы КСАЭ-ВИЭ за годовой период эксплуатации в климатических условиях г. Сочи

Приложение В (обязательное) Алгоритмы автоматической системы управления и контроля комбинированной системы автономного электроснабжения на основе

возобновляемых источников энергии

Приложение Г (рекомендуемое) Графики, характеризующие работу конверторов постоянного тока многотактного импульсного преобразователя при различных внешних

условиях

Приложение Д (обязательное) Протокол испытаний физической модели комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников

энергии

Приложение Е (обязательное) Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии»

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — это источники энергии ближайшего будущего. Они характеризуются экологической чистотой, высокой безопасностью, многие из них повсеместно доступны, а их ресурсы во много раз превышают обозримые потребности в энергии всего человечества. Но, несмотря на все положительные качества ВИЭ, им присущи и недостатки, основными из которых являются малая плотность, неравномерность географического распределения и нестабильность (суточная, сезонная, погодная) энергетических потоков. Несовершенство технологий также ограничивает их широкое распространение, однако решение этих проблем, несомненно, возможно. Уже сейчас уровень развития современной науки и техники позволяет успешно использовать ВИЭ для энергоснабжения потребителей в целом ряде случаев.

Существенная часть территории России является малозаселённой. Прежде всего, это районы Крайнего Севера, восточные регионы и горная местность. Для этих областей уже сейчас вопрос использования ВИЭ является первоочередным, поскольку передача туда электрической энергии по линиям электропередач крайне неэффективна, а доставка топлива обходится дорого.

Актуальность темы.

Роль и место ВИЭ в топливно-энергетическом балансе стран всего мира уже очевидны. Население Земли начинает ощущать угрозу топливного «голода» и ухудшение состояния окружающей среды. В такой ситуации человечество должно быть готово к быстрому и эффективному переходу на новые источники, такие как ВИЭ, обеспечивающие неисчерпаемую и чистую энергию. Понимая это, руководство многих стран принимает множество законопроектов, так или иначе стимулирующих развитие ВИЭ, а также непосредственно инвестирует в связанные с ними проекты. В настоящее время и в РФ отмечается понимание будущей роли ВИЭ, за последние несколько лет подписаны [1]:

- указ Президента Российской Федерации от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»;

- распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии до 2020 года».

Установки на основе ВИЭ наиболее перспективны на данный момент для автономного электроснабжения, так как для 2/3 территории России, где проживает постоянно более 10 млн. чел., отсутствует централизованная система электроснабжения [2]. Наиболее рационально при этом комбинированное использование ВИЭ, поскольку оно имеет ряд преимуществ по

сравнению с одиночным использованием. Так, например, солнечная и ветровая энергия обычно дополняют друг друга - как правило, при пасмурной погоде ветра сильнее, а в солнечные дни -слабее, что дает возможность использовать установки в составе гибридной системы значительно меньших мощностей, а, следовательно, и меньших стоимостей. Такие ВИЭ, как солнце и ветер, характеризуются высокой неравномерностью приходящей энергии, поэтому их комбинированное использование совместно с менее подверженными случайным факторам источниками, например, малым водотоком, позволяют повысить качество и бесперебойность электроснабжения.

Повысить эффективность автономных систем электроснабжения можно также благодаря использованию современной компонентной базы объединенной специализированной автоматической системой управления и контроля (АСУК), способной к оперативному распознаванию конкретных ситуаций, возникающих в системе, и соответствующей реакции на них согласно заранее выработанным алгоритмам. Подобного рода системы могут являться не просто новейшими системами электроснабжения, но и частью развития современной энергетики - концепции Smart Grids («умные» сети) [3]. Таким образом, исследование по формированию современных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ является актуальным и своевременным.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» Министерства образования и науки Российской Федерации.

Степень разработанности темы исследования.

Вопросам комбинированного использования возобновляемых источников энергии для обеспечения электроснабжения автономных потребителей посвящено множество работ. Однако разновидности возобновляемых источников, учет их особенностей, а также необходимость использования дополнительного оборудования определяют разнообразие этих исследований.

Большое количество исследовательских работ в этой области связано с солнечно-ветровыми установками, а также гибридными установки на их основе. Так, исследования солнечно-ветровых комплексов с различными накопителями энергии рассматриваются в работах Попеля О.С., Андреева В.М., Забродских А.Г., Когновицких С.О., Nelson D.B., Nehrir М.Н., Wan С.

Множество готовых решений как гибридных, так и исключительно солнечно-ветровых установок предназначенных для автономного электроснабжения предлагается на сегодняшний момент рынком, однако они обладают рядом недостатков.

Отдельные части рассматриваемой тематики в части оптимизационного исследования представлены в работах Безруких П.П., Виссарионова В.И., Елистратова В.В., Попеля О.С., Chedid R., Kaabeche А. и др.

Большой вклад в развитие области возобновляемой энергетики также внесли такие российские ученые, как Алферов Ж.И., Андреев В.М., Антонов Ю.М., Арбузов Ю.Д., Вавилов B.C., Васильев A.M., Васильев Ю.В., Волшаник В.В., Гусаров В.А., Евдокимов В.М., Каган М.Б., Каргиев В.М., Кондратьев К.Я., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Николаев В.Г., Полисан A.A., Потапов В.Н., Рябиков C.B., Стребков Д.С., Сокольский А.К., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Харченко В.В., Шеповалова О.В., а также зарубежные ученые Захидов P.A., Бекман У., Даффи Дж., Луке А., Клейн С., Колларес-Перейра М., Уинстон Р. и ряд других выдающихся ученых.

Целью диссертационной работы является повышение экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ за счет оптимизации их состава и параметров, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласования процесса производства и потребления электрической энергии, технологической эффективности за счет применения специализированной двухуровневой АСУК, построенной в рамках централизованного принципа управления.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (КСАЭ-ВИЭ) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является экономичность электроснабжения потребителя.

2. Провести оптимизационные исследования КСАЭ-ВИЭ для различных условий эксплуатации.

3. Разработать структурную и силовую схему КСАЭ-ВИЭ, позволяющую осуществить эффективное преобразование энергии, ее суммирование, накопление, распределение и регулирование.

4. Разработать алгоритмы управления работой КСАЭ-ВИЭ, определяющие ее функционирование как единого устройства.

5. Создать средства теоретического и физического моделирования КСАЭ-ВИЭ. Провести комплексные теоретические и практические исследования, их оценку.

6. Провести экономическую оценку использования КСАЭ-ВИЭ.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Разработана методика и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной установки на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии, согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. В их основе лежит генерация почасовых потоков энергии возобновляемых источников, исходя из общедоступных баз данных: справочника климата СССР или данных NASA.

2. Разработаны алгоритмы: «Баланс энергии», отвечающий за поддержание энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ согласно двухуровневому устройству АСУК, «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников», осуществляющие функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от возобновляемых источников.

3. Создана электродинамическая модель КСАЭ-ВИЭ с реализованными алгоритмами управления энергоустановки - базовой основой системы управления.

4. Создана физическая модель с двухуровневой АСУК, имитирующая работу КСАЭ на основе трех ВИЭ.

Практическая ценность.

Результаты разработок и исследований использованы в процессе проведения научно-исследовательской работы по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования».

В рамках диссертационной работы предложен комплекс мер (подходов) по повышению эффективности комбинированных систем.

Повышение экономической эффективности связано с разработкой методики и программного комплекса по определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. Это позволяет при неизменной стоимости системы получить большее количество выработанной ею электроэнергии или снизить стоимость КСАЭ-ВИЭ при той же выработке электроэнергии. Изначальный состав электроустановок на основе ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) может

быть расширен новыми генерирующими модулями ВИЭ (биогазовые, геотермальные установки и т.д.) и накопителями энергии (водородный накопитель и др.).

Условия определения оптимума не всегда постоянны и могут существенно изменяться с течением времени, в частности стоимость оборудования, его тип, нагрузка потребителя и пр. В связи с этим разработанные рекомендации и карты с течением времени теряют свою актуальность, а для другого типа оборудования и/или потребителя результаты оптимизации могут существенно различаться. Разработанный же программный комплекс, учитывая множество факторов и особенностей настоящего, позволяет получить в короткий срок достоверные результаты, актуальные для текущих условий эксплуатации КСАЭ-ВИЭ. Так, исследования использования разного типа аккумуляторных батарей (АБ) показали перспективность нового типа АБ - литий-железо-фосфатных (ЫРеРОд). Их применение вместо традиционных для энергетики свинцово-кислотных АБ позволяет снизить себестоимость электроснабжения потребителя КСАЭ-ВИЭ для рассмотренных пяти географических точек до 20 % (в среднем на 17 %).

Повышение энергоэффективности достигается применением специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласованием процесса производства и потребления электрической энергии. Результаты теоретического моделирования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек показали, что повышение напряжения непосредственно на выходе генерирующих установок системы до входного инверторного позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании до 16 % (в среднем на 13 %). Работа на повышенном напряжении позволяет также снизить токовые потери в системе, дополнительно повысив общий КПД. В свою очередь, разделение потребителей на группы позволяет грамотно распределить нагрузку, увеличив объемы «прямого» потребления энергии, что позволяет уменьшить объемы компенсируемой энергии с помощью накопителя, а, следовательно, связанные с этим потери энергии. Более эффективную реализацию этой функции позволяет осуществить прогнозирование выработки энергии от возобновляемых источников (ВИ) благодаря возможности спланировать работу системы на предстоящий период времени.

Выбор первичных источников КСАЭ-ВИЭ был обоснован повышением надежности электроснабжения потребителя, что можно отнести к обобщенным характеристикам эффективности.

Повышение технологической эффективности связано с разработкой логики и алгоритмов специализированной двухуровневой АСУК в рамках централизованного принципа управления с учетом особенностей ВИЭ и заключается в осуществлении более эффективных процессов функционирования системы и расширении ее функциональных возможностей. Это позволяет

заложить в систему электроснабжения новые принципы, соответствующие концепции Smart Grids, обеспечив таким КСАЭ-ВИЭ в перспективе роль активных участников распределенной энергетики.

Отметим, что предложенный комплексный подход к повышению эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения с использованием ВИЭ обеспечивает качественно новый уровень таких систем электроснабжения.

Ценными с практической точки зрения являются и сами разработки (средства), предназначенные для оценки принятых мер, направленных на повышение эффективности КСАЭ-ВИЭ, и их реализации. В частности, входящая в состав программного комплекса оптимизации математическая модель может также производить моделирование эксплуатации КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных условий на основе данных мониторинга ресурсов ВИЭ. А решения, использованные при ее создании, в том числе генерации потоков энергии ВИЭ, лежат в основе функции прогнозирования выработки энергии от ВИ, реализуемой на основе прогнозных данных погоды.

Разработанная электродинамическая (математическая) модель КСАЭ-ВИЭ позволила реализовать основу АСУК и исследовать ее функционирование. Однако это только база, позволяющая без привлечения значительных материальных затрат совершенствовать алгоритмы и разрабатывать АСУК для различных конфигураций, свойств и функций КСАЭ-ВИЭ. Кроме того, модель позволяет разрабатывать и готовить отдельные программные части АСУК для использования в микроконтроллерах системы.

В свою очередь, физическая модель КСАЭ-ВИЭ позволяет практически оценить достоверность принятых научно-технических решений.

Разработанные средства подтвердили перспективность создания и эффективность такой энергоустановки. Они позволяют с уверенностью и большим количеством наработок переходить к созданию промышленных образцов КСАЭ-ВИЭ, в которых имеется реальная потребность. Так, анализ регионального размещения потенциальных потребителей автономных источников энергоснабжения мощностью до 10 кВт позволил выделить в качестве потенциальных потребителей КСАЭ-ВИЭ жителей следующих экономических регионов России: Республика Адыгея, Республика Дагестан, Республика Ингушетия, Чеченская Республика, Кабардино-Балкарская Республика, Республика Калмыкия, Карачаево-Черкесская Республика, Республика Северная Осетия-Алания, Краснодарский край, Ставропольский край, Волгоградская область, Ростовская область, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Алтайский край, Камчатская область.

Отдельные составляющие электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ могут использоваться в учебном процессе при подготовке научных кадров в области ВИЭ.

Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, позволяет проводить исследования в натурных и лабораторных условиях. Лабораторно-исследовательский стенд, созданный на ее основе, внедрен в учебный процесс МАМИ, ГНУ ВИЭСХ, МарГУ, а также 10 школ Москвы и 6 школ Рязанской и Калужской областей по контракту №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. (Государственный заказчик - Департамент науки и промышленной политики г. Москвы).

Методы исследования.

В работе применены методы математического анализа, теории вероятности, теории электрических цепей, численные методы расчёта, а также математического моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методический подход к определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) позволяет повысить достоверность получаемого результата посредством учета большого количества факторов и особенностей, в том числе коротких временных промежутков и поиска оптимума энергоустановок на основе ВИЭ совместно с АБ.

2. Алгоритм «Баланс энергии» позволяет поддерживать равенство энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ, исходя из двухуровневого устройства АСУК, а алгоритмы «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников» позволяют реализовать функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от ВИ.

3. Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы позволяет повысить надежность электроснабжения потребителя, обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ).

4. Результаты практических и теоретических исследований функционирования моделей системы на основе исключительно трех ВИЭ подтверждают обоснованность и перспективность принятых решений (схемного построения КСАЭ-ВИЭ, построения АСУК) и разработок (электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ) для создания эффективных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ.

5. Предложенные подходы по повышению экономической, технологической и энергетической эффективности КСАЭ-ВИЭ обеспечивают как преимущество отдельных показателей, так и уровень совершенства системы.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность оптимизационных расчетов проверена на конкретном примере. Достоверность и обоснованность результатов моделирования подтверждена совпадением

теоретически полученных данных с данными испытаний физической модели КСАЭ-ВИЭ, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы.

Материалы диссертации использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058, а также в работе по заказу Департамента науки и промышленной политики г. Москвы, контракт №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010 г.), 24-ой Международной молодежной научно-технической конференции Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ и Ассоциации «Гидропроект» «Инновации в энергетику» (г.Звенигород, 2011г.), Научно-практической конференции ВИЭСХ (г.Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2011г.), Ежегодной научно-технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (г. Москва, ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина, 2011 г.), 1-ой научно-образовательной конференции ОЭПЭЭ / IAEE «Экономика энергетики как направление исследований: передовые рубежи и повседневная реальность» (г. Москва, МШЭ МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012 г.), Международной научно-практической конференции Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК (г. Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина 2012 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 статья в журнале «Энергетик», 1 статья в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 публикации, включенные в систему цитирования библиографической базы Scopus, 1 патент РФ на полезную модель и 1 монография (в соавторстве).

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированных 50 рисунками и 34 таблицами, и снабжена 6 приложениями; список литературы включает 121 наименование.

Изложение результатов исследования приводится следующим образом.

В первой главе рассмотрена возможность и перспективы эффективного использования энергоустановок, использующих ВИЭ, для электроснабжения автономного потребителя. Приведен обзор ВИЭ, выявлены основные их особенности, определяющие как перспективы их развития, так и трудности, ограничивающие их широкое распространение. В рамках разработок, связанных с созданием эффективной комбинированной системы автономного электроснабжения на основе трех ВИЭ (солнце, ветер и малый водоток) с полным исключением

«взрывных» технологий, определены способы повышения эффективности подобного рода систем, а также пути дальнейших исследований, направленные на поиск решения этой задачи.

Во второй главе описана структурная функциональная и электрическая схема КСАЭ-ВИЭ и алгоритмы управления системой с использованием современных компьютерных программ специализированного назначения. Созданы программные средства, с помощью которых проведены теоретические исследования системы. В качестве программного обеспечения была использована система компьютерной математики МАТЪАВ с ее пакетом визуального блочного имитационного моделирования БтиПпк.

В третьей главе приводятся описание физической модели КСАЭ-ВИЭ и результаты экспериментальных исследований функционирования системы, подтверждающие обоснованность теоретических положений, а также представлена система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ.

Четвертая глава посвящена описанию возможных областей применения КСАЭ-ВИЭ, а также оценке экономической эффективности ее использования. Определены основные экономические показатели, в том числе себестоимость электрической энергии при электроснабжении жилого сельскохозяйственного сектора за счет КСАЭ-ВИЭ.

1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ, ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1.1 Возобновляемые источники энергии, особенности их использования

В настоящее время во многих странах мира возрастает интерес к использованию возобновляемых источников энергии. Их плюсы очевидны — практическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Мировое сообщество стало осознавать, что запасы ископаемых энергоносителей не безграничны. По прогнозам, при условии замораживания энергопотребления на современном уровне нефть будет исчерпана через 80 лет, природного газа хватит на 150 лет, а каменного угля - на 500 лет [4]. Потенциал же ВИЭ действительно огромен, их ресурсы во много раз превышают обозримые потребности в энергии всего человечества (таблица 1.1 [5]). Учитывая все эти факторы, уже в ближайшей перспективе вполне вероятно значительное замещение традиционных видов топливно-энергетических ресурсов ВИЭ. Пока же их вклад в мировой энергетический баланс невелик.

Таблица 1.1- Ресурсы ВИЭ в мире и России

Вид энергии Теоретические ресурсы, млн., т.у.т. Технические ресурсы, млн., т.у.т

Мир Россия мир Россия

Энергия солнца 1,3-10* 2,3-10" 5,3-104 2,3-103

Энергия ветра 2,0-103 2,6-104 2,2-104 2,0-10"*

Геотермальная энергия (до глубины 10 км) 4,8-10у - 1,7-105 1,0-10і

Энергия мирового океана 2,5-105 - - —

Энергия биомассы 9,9-104 104 9,5-10J 53

Гидроэнергия 5,0- 10J 3,6-10" l,710j 1,2-10"

К серьезным недостаткам ВИЭ, ограничивающим их широкое практическое применение, следует отнести невысокую плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени, а также территориальную неравномерность распределения. Низкая удельная мощность потока источника приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок. В свою очередь, из-за неравномерности приходящей энергии, зависящей от региона, сезона и времени суток, необходимо использование устройств аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате стоимость производимой энергии резко возрастает, несмотря на отсутствие топливной составляющей в цене энергии.

Повышение эффективности энергоустановок, использующих ВИЭ, является актуальной проблемой современности, которая может быть решена различными способами. Одним из таких способов является комбинированное использование энергоустановок. Одновременное

использование нескольких источников энергии позволяет компенсировать неравномерность приходящей энергии от ВИ, что, в свою очередь, позволяет значительно снизить мощность установок в составе такой системы, а, следовательно, и снизить ее стоимость.

1.2 Установки преобразования возобновляемых источников энергии

На сегодняшний день существует большое количество энергоустановок различных типов, использующих ВИЭ. Наиболее важными критериями при их выборе для формирования систем электроснабжения автономных потребителей следует считать их доступность и испытанность. Это, в первую очередь, установки, использующие солнечную энергию, энергию ветра, энергию водных потоков, энергию биомассы.

1.2.1 Установки, преобразующие солнечную энергию

Анализ установок, использующих солнечную энергию показал, что существует два основных способа ее преобразования в электричество: фотоэлектрический и термодинамически й.

В установках, основанных на термодинамическом цикле [6], солнечная энергия концентрируется для получения пара, который подается на турбогенератор, вырабатывающий электричество (рисунок 1.1). Сложность и громоздкость конструкций ограничивают их применение для электроснабжения автономных потребителей.

На сегодняшний день наиболее удобным и распространенным является фотоэлектрический способ [7-9], основанный на прямом преобразовании солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1- Солнечная установка (электростанция), использующая термодинамический способ преобразования солнечной энергии

Преобразовательное

Рисунок 1.2 - Солнечная установка, использующая фотоэлектрический способ преобразования солнечной энергии

Около 87 % солнечных фотоэлектрических преобразователей изготавливаются на основе моно- или поликристаллического кремния; около 12 % - в виде тонких пленок таких материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенид меди и индия (CIS) и других [10]. Для фотоэлектрических преобразователей из монокристаллического кремния в лабораторных условиях достигнут коэффициент полезного действия (КПД) 25%, в производстве 16% [11]. Для поликристаллического кремния эти рекордные значения равны 20,4 и 15,5 %, для аморфного кремния в лабораторных условиях достигнут КГ1Д около 12,5 %. Эффективность и долгосрочная стабильность аморфного кремния значительно ниже кристаллического, поэтому он реже применяется в силовых установках. КПД массового производства для аморфного кремния 6-7 %. Конструкции с многопереходными фотопреобразователями позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухпереходных фотоэлементов на опытных образцах получен КПД 32,6 %, а для трехпереходных 34,1-43,5 %.

Преимущество фотоэлектрических преобразователей обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. Модульный тип конструкции позволяет создавать установки с различными уровнями напряжения и практически любой мощности.

С целью повышения эффективности преобразования солнечной энергии установки оснащают системой слежения за солнцем (рисунок 1.3). Слежение за солнцем позволяет увеличить ежегодное производство энергии на 10% зимой и на 40 % летом по сравнению с стационарным фотоэлектрическим модулем [12]. Однако устройства слежения дороги, требуют обслуживания, снижают надежность системы, и во многих случаях их применение экономически нецелесообразно.

Рисунок 1.3 - Фотоэлектрическая установка с системой слежения за солнцем

Еще одним способом, направленным главным образом на повышение экономической эффективности, является применение концентрирующих систем (рисунок 1.4) [13, 14]. Концентраторы солнечного излучения позволяют повысить КПД прямого преобразования энергии, улучшить экономические показатели фотоэлектрической установки (ФЭУ), уменьшить расход дорогостоящих полупроводниковых материалов, повысить устойчивость к действию внешних факторов. Однако такие установки используют лишь прямое излучение, поэтому целесообразность использования концентраторов необходимо оценивать в зависимости от диффузной составляющей инсоляции. Массогабаритные показатели концентраторных установок также весьма велики, что особенно ощутимо для автономных систем электроснабжения.

Рисунок 1.4 - Концентрирующие фотоэлектрические установки со стеклянными сферическим отражателем (слева) и с линзами Френеля (с права)

1.2.2 Установки, преобразующие энергию ветра

Современная ветроэнергетика базируется, в основном, на применении ветроустановок двух основных видов [15, 16]: горизонтально-осевых (пропеллерных) и вертикально-осевых (ортогональных).

Роторы последних выполняются в виде вертикально расположенных лопастей, перпендикулярных направлению ветра, или в специальном исполнении - роторы «Дарье» (рисунок 1.56). В горизонтально-осевых установках ветряное колесо имеет крыловидную форму и вращается в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра, а ось ветроколеса параллельна потоку (рисунок 1.5а). В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэлектрических установок (ВЭУ) доля горизонтально-осевых установок составляет более 90 %. Это вызвано, в первую очередь, малой изученностью вертикально-осевых ветроустановок. До недавнего времени ошибочно считалось, что коэффициент использования энергии ветра подобных типов ВЭУ значительно ниже горизонтально-осевых. По сути, вертикально-осевые установки - это новые разработки, и уже сейчас в определенном классе мощностей они вполне могут конкурировать с горизонтально-осевыми. Основные конструкции горизонтально-осевых и вертикально-осевых ветроустановок для использования в автономных системах электроснабжения представлены на рисунке 1.6 [17,18].

Ротор с попастями

Муфта

Тормозной диск

'" I') н* ' Генератор

Поворотное кольцо с приводом

Редуктор ,

Опорное кольцо

Фунндамент

а) б)

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема устройства ВЭУ: а) горизонтально-осевой ВЭУ; б) вертикально-осевой ВЭУ (ротор Дарье)

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения выполняются в виде ветроколеса с различным числом лопастей (1-12 и более), расположенных по радиусам и под некоторым углом к плоскости вращения [15]. Рабочий момент в ветроколесе создается под действием аэродинамических сил, возникающих на лопастях, имеющих специальный аэродинамический профиль.

Наибольшая эффективность горизонтально-пропеллерных установок достигается только при условии обеспечения постоянной коллениарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком

положении. В небольших ветроустановках обычно используется хвостовое «оперение», а в крупных - сервосистемы [19].

Для регулирования постоянной рабочей частоты вращения при постоянно изменяющейся скорости ветра, а также для поддержания оптимального угла атаки во всех положениях лопасти на окружности вращения в ветроэлектрических установках горизонтально-пропеллерного типа применяются поворотные лопасти [20].

Принцип работы вертикально-осевой схемы, основанный на использовании подъёмной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси, является серьёзной альтернативой горизонтально-осевым конструкциям. Её главным преимуществом является отсутствие необходимости использования устройства ориентации относительно направления ветра. Кроме того, упрощаются конструкция и монтаж, более удобным становится расположение генератора и редуктора, что важно при эксплуатации. Снижаются также дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и других элементах крыльчатых установок, вызванные гироскопическими наг рузками.

Что касается коэффициента использования энергии ветра, то для горизонтально-осевых ВЭУ он выше и лежит в пределах 0,4-0,53. У ортогональных же он несколько ниже и достигает значений 0,35-0,4. Преимуществом горизонтально-осевых ВЭУ также является более рациональная силовая схема ветроколеса за счет крепления лопастей к ступице, расположенной непосредственно на оси вращения. Такая конструкция не требует дополнительных узлов крепления лопасти и создает оптимальное ее нагружение и оптимальную материалоемкость опорной башни за счет распределения частоты резонанса ее собственных колебаний ниже возмущающих рабочих частот ветроколеса.

С точки зрения воздействий на окружающую среду ветроэнергетика все же оказывает некоторое неблагоприятное влияние, наиболее «вредными» при этом являются горизонтально-

Рисунок 1.6 - Конструкции вегроколес ВЭУ

осевые ветроустановки, характеризующиеся быстроходностью ветроколеса. Им свойственен высокий уровень аэродинамических и механических шумов, большой радиус разлета наледи и осколков лопасти в случае ее разрушения. Кроме этого, вращающееся ветроколесо создает непреодолимую преграду на пути птиц и насекомых.

По своему технологическому исполнению ВЭУ могут вырабатывать как постоянный, так и переменный ток, в зависимости от типа используемой электрической машины (генератора).

1.2.3 Установки, преобразующие энергию водных потоков

В мировой практике крупные гидроэлектрические станции (ГЭС) не относятся к объектам возобновляемой энергетики (более 30 МВт), главным образом из-за необходимости организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом. Малая гидроэнергетика является одним из наиболее эффективных направлений развития альтернативной энергетики, в том числе и для электроснабжения автономных потребителей [21, 22]. В процессе сооружения и последующей эксплуатации микро ГЭС не возникает вредного влияния на свойства и качество воды. В мировой практике эксплуатации микро ГЭС наиболее распространенными являются следующие три разновидности:

- деривационные напорные микро ГЭС, где необходимая концентрация воды создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы и поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводу к турбине микро ГЭС (рисунок 1.7а);

- деривационные безнапорные микро ГЭС, водоотвод которых представляет собой напорный трубопровод или рукав, уложенный на поверхности земли вдоль реки. Конструктивное исполнение предусматривает при этом возможность перемещения микро ГЭС на иное место установки без нарушения готовности к работе ее основных узлов (рисунок 1.76) [23];

- смешанные деривационные микро ГЭС, в которых напор создается как за счет плотины, так и за счет естественного перепада уровня воды, реализуемого при помощи деривации.

В ряде случаев могут использоваться и другие разновидности микро ГЭС:

- свободнопоточные микро ГЭС, использующие кинетическую энергию потока на рабочем колесе гидравлической машины. Имеют конструкцию подвижной плавучей ГЭС, которую можно легко перемещать по всему руслу реки;

- погружные микро ГЭС, в которых используются размещенные под водой, гидроагрегаты;

- гирляндные микро ГЭС - бесплотинные или свободнопоточные гидростанции, имеющие общий валопривод.

Устройством, преобразующим энергию воды в механическую работу, в гидростанциях является гидротурбина [16,24]. Существует два основных типа гидротурбин: активные и реактивные.

Рисунок 1.7 - Схема деривационной микро ГЭС: а) напорной; б) безнапорной;

1 - водоток; 2 - уровень воды; 3 - водозаборное устройство; 4 - запруда; 5 - деривационный канал; 6 - напорный трубопровод; 7 - гидротурбина; 8 - генератор; 9 - рукава или трубы

В активной (импульсной) турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения вала. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД активных турбин колеблется от 60 до 85 %, и может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй. Наиболее распространёнными импульсными турбинами являются турбина Пелтона и турбина поперечного течения (рисунок 1.8).

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. Энергия воды за счет увеличения давления увеличивает скорость потока на направляющих лопастях и непосредственно на рабочем колесе турбины. Типичный пример реактивной турбины - турбина Френсиса, вращение колеса в которой осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе, а вода поступает в рабочее колесо радиально (рисунок 1.8). Зазор между рабочим колесом и камерой переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные

решения реактивных гидротурбин, например, пропеллерная турбина Каплана (рисунок 1.8). Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления. Преимущество малой реактивной турбины заключается в том, что она может полностью использовать гидравлический напор в данном месте. Импульсная турбина должна быть установлена выше нижнего уровня воды. Преимущество импульсной турбины заключается в том, что она достаточно простая и дешевая, легко можно контролировать подачу воды на турбину, изменяя размер сопла. В отличие от импульсной турбины большинство малых реактивных турбин нельзя оттарировать в зависимости от расхода воды.

к*

. я, >7;? ■V.. Г

VJ&

а) б) в) г)

Рисунок 1.8 - Виды турбин гидростанций: а) ковшовая (Pelton); б) радиально-осевая (Francis); в) пропеллерная; г) Банки

На практике необходимость использования той или иной разновидности гидростанции определяют характеристики водотока и потребителя. При этом основными параметрами, характеризующими водоток, являются напор и расход воды. Они в первую очередь и определяют применение тех или иных разновидностей турбин (рисунок 1.9). При этом необходимо помнить, что мощность потока ограничена не только естественными условиями, но и правовыми ограничениями.

Высота падений (напор), м

Расход воды, м /с

Рисунок 1.9 - Диаграмма применения классических турбин для малых и микро ГЭС

В качестве электрогенераторов в гидростанциях в основном используются машины переменного тока: синхронные и асинхронные.

1.2.4 Установки, преобразующие энергию биомассы

Получение электрической энергии из биомассы представляет собой сложный, многоэтапный технологический процесс. Существует несколько технологий:

- непосредственное сжигание биомассы в котельных агрегатах для получения водяного пара высокого давления, и дальнейшее использование его в турбинных или поршневых паровых машинах для привода электрогенераторов [25,26];

- синтез различного рода биотоплива, которое затем в качестве топлива используется в котельных, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания.

Технология получения промежуточного вида топлива - биотоплива (древесный уголь, биогаз, синтез газ, генераторный газ, этанол и др.) основана на следующих процессах [4]:

- термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение [18];

- биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как анаэробное сбраживание и ферментация, приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива [27, 28].

Недостатком энергоустановок на основе использования энергии биомассы является отсутствие коммерчески доступных разработок малых мощностей, полностью укомплектованных для производства электрической энергии. Кроме того, это наличие взрывных технологий в цепочке производства электрической энергии, хотя оно и не нарушает баланс вредных веществ в атмосфере.

1.3 Принципы комбинированного использования возобновляемых источников энергии

Основной задачей комбинированных автономных систем электроснабжения, использующих ВИЭ, как и любой другой системы электроснабжения, является качественное и бесперебойное обеспечение потребителей электрической энергией. Однако системам на основе ВИЭ свойственен ряд отличительных особенностей, обусловленных, в первую очередь, их первичными источниками энергии.

Проектирование системы электроснабжения начинается с определения электрических нагрузок потребителя, в основе которых лежат графики потребления. Они дают наглядное представление о характере изменения электрических нагрузок во времени. Согласно графикам

нагрузок определяется требуемая выходная мощность и потребление электрической энергии за определенный интервал времени.

Такая особенность ВИЭ, как постоянство их ресурсов за длительный период времени, позволяет реализовать на их основе электроснабжение потребителя, т.е. энергоустановки, использующие ВИЭ, способны обеспечить равенство энергетического баланса за весь срок эксплуатации Гэкспл систем электроснабжения, использующих ВИЭ:

N К

— ух/^жспл I ШГ«СПЛ I \ 1 ЛЛ/Тжпл (\ 1 \

ВИЭп — "лот т УУСН потери к

п=2 к=1

где ~~ выработка электрической энергии п-ой энергоустановкой на основе ВИЭ за

рассматриваемый период эксплуатации Гэкспл, кВт-ч;

^от"" -объем электрической энергии, определяемый нуждами потребителя, за рассматриваемый период эксплуатации Тжспл, кВт-ч;

-объем электрической энергии, определяемый собственными нуждами комбинированной системы, за рассматриваемый период эксплуатации Тжспп, кВт-ч;

потери к ~ объем электрической энергии, определяемый потерями в к-ом элементе системы электроснабжения, за рассматриваемый период эксплуатации Гэкспл, кВт-ч.

Однако в отличие от традиционного электроснабжения в комбинированных системах электроснабжения, использующих ВИЭ, не все генераторы способны выходить на номинальную мощность в любой момент времени. Это происходит из-за непостоянства энергетического потока во времени некоторых ВИЭ, таким образом, подобные энергоустановки являются «неуправляемыми». Следовательно, за короткие интервалы времени равенство (1.1) зачастую не выполняется. Необходимо же, чтобы равенство энергетического баланса выполнялось в любой момент времени / расчетного срока 7^кспл, что влечет за собой

использование дополнительного оборудования - накопителя, как элемента, компенсирующего неравномерности между генерацией и потреблением электроэнергии путем ее накопления в периоды избытка и ее выработки в моменты дефицита. Таким образом, при выборе оборудования для комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ равенство энергетического баланса с учетом накопителя энергии должно быть обеспечено как за длительные, так и короткие периоды времени.

При формировании комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ в связи с территориальной неравномерностью распределения ВИЭ необходимо также учитывать расположение потребителя. Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников на данной местности определяются, в первую очередь, их

экономической эффективностью, а зачастую и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. При этом наличие на рассматриваемой территории ВИЭ, характеризуемых постоянством потока энергии достаточной мощности для компенсации возможных неравномерностей, позволяет избежать использования накопителей большой емкости.

Универсальной комбинированной системой является энергоустановка, использующая как минимум два повсеместно доступных возобновляемых источника энергии: солнце и ветер. Это позволяет создавать общедоступные системы автономного электроснабжения. Ограничений по мощности для установок на основе энергии солнца и ветра при электроснабжении автономных потребителей практически нет. Увеличивая рабочие площади таких установок, можно получить любые необходимые для электроснабжения мощности. Все определяется экономической эффективностью и конкретными условиями объекта.

В подобных системах, как правило, электрическая энергия в связи с использованием в качестве накопителей АБ или водородного накопителя запасается в виде постоянного тока, что оказывает свое влияние на схемные варианты построения систем и приводит к использованию выпрямителей и инверторов. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, инвертор - постоянный в переменный. Подобная ситуация возникает и при эксплуатации полупроводниковых фотоэлектрических установок, поскольку они генерируют электрическую энергию постоянного тока. Применение схожего технического решения обоснованно и для установок, использующих энергию ветра, потому что ветроагрегаты, вырабатывающие переменный ток, из-за непостоянства потока энергии ветра генерируют энергию ненадлежащего качества.

В последнее время с целью повышения эффективности установок на основе ВИЭ активно используются специализированные элементы силовой электроники. Среди них так называемые устройства отбора мощности и устройства коррекции коэффициента мощности. Устройства отбора мощности изменяют свое внутреннее сопротивление так, чтобы согласовать его с внутренним сопротивлением генератора и отобрать от него максимум мощности. Устройства коррекции коэффициента мощности осуществляют активную коррекцию коэффициента мощности, приближая формы переменного тока на входе конвертора к форме напряжения на нем и достигая, тем самым, коэффициента мощности, близкого к 1. Коррекция предотвращает искажение тока (паразитные токи) во входной цепи и уменьшает потери, вызванные сдвигом фаз тока и напряжения. Эти элементы силовой электроники представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы - преобразователи, работающие по специальному алгоритму.

Самым распространенным способом бесперебойного электроснабжения потребителей при использовании энергоустановок на основе ВИЭ является применение в качестве резервного

источника дизельных или бензиновых генераторов. Эта мера, безусловно, является самой надежной для гарантированного обеспечения электрической энергией автономного потребителя. Однако эксплуатация гибридных систем, наиболее распространенными из которых являются дизель-ветровые и дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки, сопряжена с затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Негативными факторами использования таких установок являются выбросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум.

Комбинированная система автономного электроснабжения на основе ВИЭ представляет собой сложную систему, образованную совокупностью различных технических устройств, для корректной и эффективной работы которых необходимо постоянное управление и контроль. Поэтому основой всех современных комбинированных систем является система автоматического управления и контроля.

Таким образом, помимо ранее рассмотренного оборудования для преобразования ВИЭ комбинированные системы включают следующие устройства:

- накопитель электрической энергии;

- устройства силовой электроники;

- система автоматического управления и контроля.

1.4 Дополнительное оборудование 1.4.1 Накопители электрической энергии

В качестве накопителей электрической энергии может использоваться целый ряд устройств, основанных на разных технологических способах накопления энергии: электрохимических, электрических, электромеханических, электродинамических и др.

Электрохимические накопители запасают и отдают энергию в результате химических реакций. К ним относятся химические аккумуляторные батареи, т.е. химические источники тока, состоящие из двух или более аккумуляторов, соединенных между собой, и электрохимические генераторы, т.е. два или более топливных элемента в комплексе с системами, обеспечивающими их функционирование.

Химические аккумуляторные батареи являются наиболее распространенными на данный момент накопителями электрической энергии. Традиционными для энергетики являются свинцово-кислотные и щелочные АБ (никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые), в качестве перспективных могут рассматриваться литий-ионные, литий-полимерные и литий-серные. Их сравнительные характеристики, а также характеристики молекулярных накопителей представлены в таблице 1.2.

Основными характеристиками аккумуляторных батарей для систем электроснабжения являются:

- номинальная емкость (А-ч) - характеризует количество электричества, которое должен отдавать новый накопитель энергии (НЭ) в нормальных условиях;

- энергия накопления (Вт-ч) - равна произведению емкости на напряжение;

- удельная энергия - энергия, отнесенная к единице массы (А-ч/кг) или объема (А-ч/дм3);

- выдаваемая мощность (Вт) - равна произведению напряжения на силу тока;

- срок службы - гарантированное изготовителем время работы, в течение которого источник тока сохраняет свои характеристики в заданных пределах;

- экономические показатели - стоимость АБ и стоимость отдаваемой им энергии [29]. При автономном электроснабжении на АБ накладывается ряд требований: высокий КПД,

необслуживаемость, большое количество разрядных циклов при значительной глубине разряда (60-80 %), малый разрядный ток, большой срок службы. В рамках этих требований был проведен анализ предлагаемых на рынке АБ, результаты которого представлены в таблице 1.3. Собранные в таблице АБ являются предпочтительными при использовании их для автономного электроснабжения.

Таблица 1.2 - Характеристики накопителей электрической энергии

Тип накопителей энергии Характеристики накопителей энергии Отн. стоимость 1 Вт-ч

Напря жение, В Удельная энергия Срок службы, лет Наработка, циклы Само разряд, %/сут Мак. емкость, А-ч

Вт-ч/кг Вт-ч/дм3

Свинцово-кислотный: герметизированный 2,0 10-30 25-40 30-50 70-100 12-20 5-15 800-1500 200-1200 0,1 <0,1 12000 3000 1 2

Никель-кадмиевый: герметичный 1,20 20-40 30-60 30-60 100-170 15-20 5-10 1000-2500 500-1000 0,3-0,5 0,5-0,7 1500 200 3 3-5

Никель-металл-гидридный 1,20 45-70 100-250 5 2000 1,0 240 3-6

Серебряно-цинковый 1,7 90-140 180-200 - 30-200 0,1 400 4-5

Серебряно-кадмиевый 1,4 40-80 50-160 - 500 <0,1 300 -

Литий-ионный 3,6 100180 250-400 >5 500-1000 0,2 1000 6-8

Литий-полимерный 3,6 150175 300-375 - - 0,1 100 6-10

Литий-серный 2,1 250360 - - 400-450 0,5-0,7 - 2-3

Молекулярный накопитель 1,7 5-10 15-30 > 15 300 000 <0,1 - 20

Аккумуляторы Prosolar-R RA12-100D [30] и HAZE HZY12-100 [31] являются необслуживаемыми свинцово-кислотными батареями, изготовленными по технологии AGM. Prosolar RA12-100DG [32], Sonnenschein S 12/1ЗОА [33], Sonnenschein SB 12/100А [34], Prosolar OPzV2-200 [35] и BAE PVV Block Solar 12V 3 PVV210 [36] - необслуживаемые

свинцово-кислотные аккумуляторы, изготавливаемые по гелевой технологии. Trojan 6V Т-105-RE [37] - малообслуживаемые тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы. Примечательно, что все эти батареи, за исключением HAZE, были специально разработаны для использования в области ВИЭ. Thunder Sky TS-LFP100AHA [38] - литий-железо-фосфатные (LiFeP04) аккумуляторы, основное их использование автомобильный транспорт.

Таблица 1.3— Сравнение аккумуляторов различных производителей

Модель аккумулятора Емкость, А-ч Наработка, циклы (при глубине разряда) Самораз ряд, %/месяц Срок службы, лет Допустимые номин. скорости заряда/ разряда Стоимость энергии (при 60% разрядке и токе разряда 0,1-С), руб/кВт-ч

с,' Сю С20 60% 80%

Prosolar-R RA 12-100D 86 102 105 725 475 2 12 0,3-С/ ЮС 14,1

Prosolar RAI2-100DG 80 92 95 940 625 2 12 0,2-С / ЮС 17,2

Trojan 6V T-105-RE 185 215 225 1100 900 5 8 0,13-С/ ЮС 10,9

Sonnenschein S 12/130A 94 105 110 1400 1075 2 12 0,3-С / юс 15,7

Sonnenschein SB 12/100A 84 89 90 2100 1515 2 12 0,ЗС/ ю-с 14,3

HAZE HZY 12-100 76 85 96 550 375 2 12 0,25-С/ ЮС 24,4

Prosolar OPzV2-200 170 204 216 1600 1300 2 20 0,3-С / ю-с 14,3

BAE PVV Block Solar 12V 3 PVV210 - 166 178 2050 1200 2 15 0,3-С / ю-с 13,2

BAE OPzV BLOCK 12V 2 OPzV 100 97 107 110 2250 1500 2 15 0,3-С / ю-с 12,7

Thunder Sky TS-LFP100AHA 104 105 106 6000 3000 3 10 5(0,5)-С / 20(3)-С 6,1

* Данный параметр характеризует емкость АБ при разряде постоянным током в течение пяти часов. Сотответственно Сю - в течение 10 часов, С2о - в течение 20 часов.

В большинстве случаев для электрохимических генераторов в качестве горючего применяется водород (Нг) и гидразин (ЫгНО, в связи с их высокой активностью, легкостью подвода и отвода конечных продуктов реакции, достаточно высокой удельной энергией. Известны разработки ЭХГ с использованием углеводородных горючих (метана СН4, пропана СзНв), а также метанола (СН3ОН) и аммиака (ИНз), имеющих относительно низкую стоимость. Перспективны разработки полутопливных элементов (с подводом только окислителя) на основе встроенного в элемент твердотельного горючего (металлов Хп, А1, М§, 1л и др.) [39]. В качестве окислителя применяется преимущественно кислород (О2), а также перекись водорода (Н2О2), азотная кислота (НЫОз), галогены (СЬ^).

Общим достоинством электрохимических генераторов на топливных элементах является высокий КПД (до 80 %) [4]. Существенное значение применительно к автономным объектам имеет бесшумность работы электрохимического генератора, отсутствие механически

перемещающихся деталей и изнашивающихся частей. Энергетический уровень электрохимических генераторов на сегодняшний момент в автономных установках характеризуется удельной энергией 1,5-2 кВт-ч/кг, что существенно (на порядок и более) превосходит значение удельной энергии АБ.

Недостатки электрохимических генераторов заключаются в сложности обеспечения сбалансированных электрохимических реакций и относительно малой удельной мощности, приходящейся на единицу массы (0,15-0,2 кВт/кг, что ниже, чем в АБ). Широкому распространению электрохимических генераторов препятствует дороговизна технологий, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом.

Самые массовые электрические накопители энергии - это обычные конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии. Но у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения (мин., сек.).

Ионисторы, которых также называют «суперконденсаторами», «молекулярными накопителями», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых -относительно невысокие токи зарядки и разрядки. Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами. На рынке существуют специальные, собранные в высоковольтные батареи суперконденсаторы, одной из областей применения которых являются ВИЭ [40].

Газобаллонные накопители. Отличительная их черта - возможность длительного хранения энергии [41]. Недостаток рассматриваемых механических накопителей состоит в относительно низком КПД: с учетом КПД компрессора, равным 0,25-0,3 эффективный КПД заряда меньше 0,12. Удельная энергия подобных НЭ составляет порядка 40 кВт-ч/л.

Существуют проекты крупномасштабного применения газовых НЭ в электроэнергетических системах для снятия пиков потребления [40,42]. Применение же данных накопителей при автономном электроснабжении потребителя нерационально, по причине необходимости постройки специальных сооружений, да и КПД их незначителен.

Наиболее развитым в большой энергетике является другой вид электромеханического накопителя: гидроаккумулирующие установки. Принцип действия их заключается в преобразовании электрической энергии в потенциальную энергию воды (аккумулирование) с последующим - по мере необходимости - преобразованием её вновь в электроэнергию. В связи с необходимостью строительства специальных сооружений, применение данного типа накопителя в автономном электроснабжении также является нерациональным.

Перспективными накопителями энергии видятся механические накопители вращательного движения — инерционные механические накопители (маховики). Тонковолокнитстые материалы в перспективе позволяют создать маховики с особо большими удельными энергиями (супермаховики), обеспечивающие следующие уровни показателей удельной энергии: стеклянные нити - 0,2 кВт-ч/кг, кварцевые нити - 1,4 кВт-ч/кг, углеродные волокна (со структурой алмаза) — 4,1 кВт-ч/кг [40].

1.4.2 Устройства силовой электроники

Многообразие и специфика возможных потребителей комбинированной системы автономного электроснабжения, а также первичных источников энергии (ФЭУ, ВЭУ и др.) и накопителей (АБ, ЭХГ и др.) определяют разнообразие видов потребляемой и вырабатываемой электроэнергии, вызывают необходимость ее преобразования.

Преобразование может осуществляться по следующим параметрам [43]:

- тип и форма напряжения и тока (например, постоянные, переменные, синусоидальные, несинусоидальные периодические, импульсные и т.д.);

- величина (значение) напряжения и тока (среднее для постоянных, действующее и амплитудное для переменных);

- частота;

- число фаз.

Все преобразователи электроэнергии можно разделить на 4 группы [44]:

- выпрямители - AC-DC преобразователи, преобразующие напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока;

- конверторы - DC-DC преобразователи, преобразующие напряжение постоянного тока одного параметра в напряжение постоянного тока другого параметра;

- инверторы - DC-AC преобразователи, преобразующие напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока;

- циклоконверторы - АС-АС преобразователи, преобразующие напряжение переменного тока в напряжение переменного тока другой частоты.

Преобразователь любого назначения и любой сложности может быть построен на основе представленных комбинаций устройств.

Поскольку в нашем случае переменное напряжение, вырабатываемое энергоустановками на основе ВИЭ (ВЭУ, микро ГЭС), необходимо преобразовать в постоянное, применяются выпрямители.

Выпрямители могут классифицироваться по принципиальной схеме выпрямления. Приемлемыми для нас, исходя из типа источников (электрические машины), являются выпрямители, построенные на однополупериодной и мостовой схемах [45]. Мостовой выпрямитель, осуществляющий двухполупериодное выпрямление, позволяет получать меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, а также низкое значение обратного напряжения вентилей (таблица 1.4).

Необходимость использования в комбинированных системах цепей постоянного тока требует применения преобразователей постоянного напряжения для согласования параметров источников энергии, дающих на выходе постоянный (выпрямленный) ток, с накопителями энергии, характеризуемыми постоянным током (например АБ), или для взаимодействия с иными преобразователями (DC-DC, DC-AC).

Для автономных систем электроснабжения приоритетным параметром преобразователей является их КПД, поэтому с этой точки зрения лучше всего использовать преобразователи напряжения, работающие в импульсном режиме. Такие конверторы обеспечивают высокий КПД, меньшие габариты и массу.

Выходное напряжение подобных DC-DC преобразователей может быть связано гальванически с входным источником. В нашем же случае в использовании гальванической развязки нет необходимости, поскольку условия эксплуатации комбинированной системы электроснабжения обычные, гальваническая же развязка оправдывается при эксплуатации оборудования в сложных промышленных условиях.

Недостатком импульсных, или ключевых, преобразователей являются пульсации, которые создают помехи. Для снижения уровня помех используют различные фильтры, позволяющие понизить уровень пульсаций до требуемого. Как правило, импульсные преобразователи изготавливаются с уже встроенными фильтрами, да и в целом современные устройства силовой электроники зачастую изготавливаются уже как готовые модули. Модульный подход конструирования устройств силовой техники позволяет достаточно легко, по аналогии с «конструктором», из готовых блоков создавать требуемые преобразователи.

Частота коммутации (переключения ключа) определяет возможную скорость регулирования параметров преобразуемой энергии. Кроме того, высокая частота позволяет использовать конденсаторы и дроссели намного меньшего номинала. Частота дискретизации зависит от динамических свойств вентилей, на которых выполнен преобразователь: так GTO-тиристоры допускают частоту переключений до 1 кГц, IGBT-транзисторы - примерно до 10 кГц, полевые транзисторы - примерно до 1000 кГц и выше [44].

Таблица 1.4 — Потенциальные силовые полупроводниковые устройства для построения комбинированной системы электроснабжения

Тип конвертора

Схема

Зависимости входного напряжения от выходного_

Выпрямитель

однофазный,

однополупериодный

VI) 1

-н-

V2.

UBX

О

^ вых ср 2 дейст

Rii I Шых

Выпрямитель

однофазный,

однополупериодный

VDI2 £ vm2 \

ІІВЧ

VI).V \ VD4~i \

и А .

ВЫХ.Ср л вх. деист

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Тихонов, Антон Валентинович

Выводы по главе

1. Рассмотрены перспективные области применения КСАЭ-ВИЭ при автономном и резервном электроснабжении.

2. Создано программное обеспечение, позволяющее быстро рассчитать экономические показатели различного рода КСАЭ-ВИЭ. С его помощью определены экономические показатели 29 вариантов, представленных в разделе 2.3.

3. Электроснабжение потребителя за счет КСАЭ-ВИЭ в ряде случаев оказалось экономически сопоставимо с традиционньм способом реализации автономного электроснабжения, себестоимость энергии при котором составила 6,7 руб./кВт-ч без затрат на доставку топлива, что с учетом экологических факторов определяет преимущество подобного рода систем.

4. Эксплуатация КСАЭ-ВИЭ в труднодоступных горных районах, где себестоимость электрической энергии достигает 30-70 руб./кВт-ч, является выгодным решением, даже когда используются только ФЭУ и ВЭУ без микро ГЭС.

5. Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы, помимо повышения надежности электроснабжения потребителя, позволяет обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, а, следовательно, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ), как в отдельности, так и в комплексе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тихонов, Антон Валентинович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Официальный сайт министерства энергетики РФ. URL: http://minenergo.gov.ru/aktivity/vie (дата обращения: 17.02.2012).

2. Безруких П.П., Сокольский А.К., Харитонов В.П. Системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей на основе возобновляемых источников энергии // Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве: труды 3-й Международной научно-технической конференции ГНУ ВИЭСХ. Ч. 4: Нетрадиционные источники энергии. Вторичные энергоресурсы. Экология. М., 2003. С. 3-8.

3. Глобальная энергетика и устойчивое развитие. Мировая энергетика - 2050 (Белая книга) / под ред. В.В. Бушуева, В.А. Каламанова. М.: ИД «ЭнеРГИя», 2011. 360 с.

4. Лосюк Ю.А., Кузьмич В.В. Нетрадиционные источники энергии: учебное пособие. Мн.: УП «Технопринт», 2005. 234 с.

5. Лакутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. 187 с.

6. Vorobiev Y., Gonsales-Hernandes J., Vorobiev P., Bulat D. Thermal-photovoltaic solar hybrid system for efficient solar energy conversion // Solar Energy. 2006. № 80. P. 170-176.

7. Арбузов Ю.Д., Евдокимов B.M. Основы фотоэлектричества. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.

319 с.

8. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1963.

496 с.

9. Солнечная энергетика: перевод с английского и французского / Под ред. Малевского Ю.Н., Колтуна М.М. - М.: «Мир», 1979. 390 с.

10. Производственная цепочка. URL: http://www.nitolsolar.com/rustructureaddedcost/ (дата обращения: 3.03.2012).

11. National Renewable Energy Laboratory (NREL). URL: http://www.nrel.gov (дата обращения: 3.03.2012).

12. Солнечная энергия. URL: http://www.ecomuseum.kz/dieret/solar/solar.html (дата обращения: 3.03.2012).

13. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения / Под ред. академика РАСХН Д.С. Стребкова. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. 316 с.

14. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. 310 с.

15. Кривцов B.C., Олейников A.M., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1. Ветроэлектрогенераторы: учебник. Харьков: Нац. Аэрокосм, ун-т «Харьк. авиац. ин-т», Севастополь: Севаст. нац. техн. ун-т, 2003. 400 с.

16. Обозов А.Дж., БотпаевР.М. Возобновляемые источники энергии: учебное пособие для вузов. Бишкек, 2010. 218 с.

17. ЯнсонР.А. Ветроустановки: учебное пособие по курсам «Ветроэнергетика», «Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии», «Введение в специальность» / Под ред. М.И. Осипова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 36 с.

18. Кундас С.П., ПознякС.С., ШенецЛ.В. Возобновляемые источники энергии: монография. Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2009. 315 с.

19. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.

280 с.

20. Николаев В.Г., Ганага C.B., Кудряшов Ю.И. Национальный Кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения // Под ред. канд. физ.-мат. наук В.Г. Николаева. - М.: Изд. «АТМОГРАФ», 2008. 584 с.

21. Богаченко C.B. Перспективы использования возобновляемых источников энергии на примере проектов малых и микро ГЭС // Малая энергетика. 2008. №3.

22. Ларин В. Состояние и перспективы применения возобновляемых источников энергии в России. Характеристика возобновляемой энергетики в регионах Российской Федерации. Некоторые рекомендации. М., 2006.

23. Алексеенко В.Н., Мавлянбеков Ю.У. Переносные и передвижные микро ГЭС как источник автономного электроснабжения мало энергоемких потребителей электроэнергии // Электротехника 2010: сборник докладов VIII Симпозиума. М., 2005.

24. Использование водной энергии: учебное пособие / Потапов A.B. [и др.]. М.: Колос,

1972.

25. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев A.C. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие. 1-е изд. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 294 с.

26. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие. СПб.: СЗТУ, 2003. 79 с.

27. да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие: пер. с англ. / Под ред. С.П. Малышенко, О.С. Попеля. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 704 с.

28. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки: пер. с англ. М.Ф. Пушкарева / Под ред. Е.А. Бирюковой. М.: Агропромиздат, 1987. 152 с.

29. Таганова A.A., Бубнов Ю.И. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Способы и устройства заряда: справочник. Изд. 2-е. СПб.: Химиздат, 2002. 174 с.

30. 12В Аккумулятор Prosolar-R RA12-100D. URL: http.V/www.prosolar.ru/ index.php?page=shop.product details&flypage=flypage.tpl&productid=543&category id=55&vmcc hk=l &option=com virtuemart&Iteinid=215 (дата обращения: 20.08.2012).

31. Haze HZY12-100 (HZY 12-100). URL: http://tok-shop.ru/product/haze-hzyl 2-100-hzv-12-100/ (дата обращения: 20.08.2012).

32. 12 В Аккумулятор Prosolar-R RA12-100DG. URL: http://www.prosolar.ru/ index.php?page=shop.product details&flvpage=flypage.tpl&product id=606&categorv id=40&vmcc hk=l &option=com virtuemart&Itemid=215 (дата обращения: 20.08.2012).

33. Стационарные аккумуляторы Sonnenschein Solar Технология: dryfit. URL: http://www.akku-vertrieb.ru/products/stationary/sonnenschein/battery/sonnenschein solar/ (дата обращения: 20.08.2012).

34. Стационарные аккумуляторы Sonnenschein Solar Block Технология: dryfit. URL:

http://www.akku-vertrieb.ru/products/stationarv/sonnenschein/battery/sonnenschein solar_block/

(дата обращения: 20.08.2012).

35. 2 В аккумулятор Prosolar OPzV2 1000, 1000 А*ч. URL: http://www.prosolar.ru/ index.php?page:=shop.product details&flypage=flypage.tpl&product id=l 72&category id=38&vmcc hk= 1 &option=com virtuemart&Itemid=215 (дата обращения: 20.08.2012).

36. BAE PVV Block Solar 12V 3 PVV210. URL: http://ecovolt.ru/catalog/ Neobsluzhivaemye germetizirovannye GEL 12v/bae pvv block solar 12v 3 pvv210/ (дата обращения: 20.08.2012).

37. Аккумуляторные батареи Trojan 6V T-105-RE. URL: http://ecomotors.ru/ index■php?productlP=931 (дата обращения: 20.08.2012).

38. Аккумуляторная батарея Thunder Sky TS-LFP100AHA. URL: http://ecomotors.ru/index.php?productID=569 (дата обращения: 20.08.2012).

39. Накопители энергии: учеб. пособие для вузов / Бут Д.А., Алиевский С.Р., Мизюрин Б.Л., Васюкевич П.В. / Под ред. Д.А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 400 с.

40. 125 Volt Transportation Modules - Application Specific Modules. URL: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/125v-tran-modules (дата обращения: 22.08.2012).

41. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980. 152 с.

42. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. 224 с.

43. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. 304 с.

44. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005.

632 с.

45. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. 296 с.

46. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. Ч. 2. 197 с.

47. Микропроцессорные системы автоматического управления / Бесекерский В.А., Ефимов Н.Б., Зиатдинов С.И. [и др.] / Под общ. ред. В.А. Бесекерского. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 365 с.

48. Пьявченко Т.А., ФинаевВ.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2007. 271 с.

49. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: учеб. пособие / В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов, О.В. Шевяков / Под ред. В.В. Солодовникова. -М.: Высш. шк., 1991. 255 с.

50. Галиев А.Л., Галиева Р.Г. Элементы и устройства автоматизированных систем управления: учеб. пособие. Стерлитамак: Стерлитамак. гос. пед. акад., 2008. 220 с.

51. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. №3. С. 70-75.

52. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С.О. Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2(46). С. 99-105.

53. "Ваш Солнечный Дом" - умный выбор системы энергоснабжения. URL: http://www.solarhome.ru/ (дата обращения: 3.09.2012).

54. ООО «ФЛАЙ-ТЕК». URL: http://flv-tech.com.ua/ (дата обращения: 3.09.2012).

55. НПО «ГрандЭнерго». URL: http://www.energo.dn.ua/ (дата обращения: 3.09.2012).

56. «Балтэлектронкомплект». URL: http://www.alternative-energy.spb.ru/ (дата обращения: 3.09.2012).

57. ООО «Возрождение». URL: http://spbsun.ru/ (дата обращения: 3.09.2012).

58. Hybrid power systemsbased on renewable energies:a suitable and cost-competitivesolution for rural electrification. URL: http://www.ruralelec.org/fileadmin/DATA/ Documents/06 Publications/Position papers/ARE-WG_Technological Solutions - Brochure Hybrid Systems.pdf (дата обращения: 3.09.2012).

59. Schmitt A., Huard G., Kwiatkowsk G. PV-hybrid microplants and mini-grids for Decentralised Rural Electrification in Developing Countries // EDF Research and development. France, 2006.

60. NayarC.V. Recent developments in decentralised mini-grid diesel power systems in Australia // Applied Energy. Vol. 52. Issue 2-3. 1995. PP:229-242.

61. Paska J., Klos M., Biczel P. Hybrid power systems - An effective way of utilising primary energy sources // Renewable Energy. Vol. 34. No 11. 2009. PP:2414-2421.

62. Nelson D.B., NehrirM.H., WanC. Unit sizing of stand-alone hybrid wind/PV/fuel cell power generation systems // IEEE Transaction. 2005. PP:134-166.

63. Sun Wind Concepts. URL: http ://www. sunwindconcepts .us/Sun Wind Concepts/ Welcome.html (дата обращения: 4.09.2012).

64. Maritech Marine Ltd. URL: http://www.maritechmarine.com/ (дата обращения: 4.09.2012).

65. Solar Power Australia. URL: http://www.solarpoweraustralia.com.au/ (дата обращения: 4.09.2012).

66. Hebei Green Photoelectric Technology Co., Ltd. URL: http://www.glgd.com/ (дата обращения: 4.09.2012).

67. Fuan Huachuang Electrical Machinery Co., Ltd. URL: http://hc-motor.com/ (дата обращения: 4.09.2012).

68. Foshan Tanfon Energy Technology Co., Ltd. URL: http://www.tanfon.com/ (дата обращения: 4.09.2012).

69. СимакинВ.В., Смирнов A.B., Тихонов А.В., ТюховИ.И. Современные системы автономного электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии // Энергетик. 2013. № 3. С. 22-26.

70. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 1: «Сбор и анализ информации по теме исследований». УДК - 621.472, № гос. Регистрации - 01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2009.

71. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 2: «Выбор направления

исследований и проведение необходимых расчетов (разработка методик)». УДК - 621.472, № гос. Регистрации - 01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2009.

72. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 3: «Проведение теоретических и экспериментальных исследований». УДК - 621.472, № гос. Регистрации -01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2010.

73. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 4: «Разработка эскизной документации на лабораторные образцы комбинированной системы автономного электроснабжения». УДК - 621.472, № гос. Регистрации - 01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2010.

74. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 5: «Изготовление лабораторных образцов генерирующих устройств и схемы». УДК - 621.472, № гос. Регистрации - 01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2011.

75. Отчет о НИР: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования». Этап 6: «Сборка и испытания лабораторного образца комбинированной системы электроснабжения». УДК - 621.472, № гос. Регистрации - 01200961900. - М.: ФГУП ВЭИ, 2011.

76. Аттетков A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации: учеб. для вузов / под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 440 с.

77. Костин В.Н. Оптимизационные задачи электроэнергетики: учеб. пособие. СПб.: СЗТУ, 2003.120 с.

78. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». М.: COJIOH-Пресс, 2005. 800 с.

79. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.1104 с.

80. Дьяконов В.П. Simulink 5/6/7: самоучитель. М.:ДМК-Пресс, 2008. 784 с.

81. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 15, ч. 1-6. JL: Гидрометеоиздат, 1988.

82. A renewable energy resource web site. URL: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ (дата обращения: 12.05.2012).

83. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии: учебное пособие / Бурмистров А.А., Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В. [и др.] / Под ред. В.И. Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 144 с.

84. Симакин В.В., Смирнов А.В., Тихонов А.В., Тюхов И.И. Оптимизация комбинированной системы автономного электроснабжения сельхозтоваропроизводителей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 3. С. 23-25.

85. Chedid R., Rahman S., Unit sizing and control of hybrid wind-solar power systems // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1997. Vol. 12. No. 1. PP: 79-85.

86. Ramakuniar R., Sudhakara Shetty P., Shenayi. K. A linear programming approach to the design of integrated renewable energy systems for Developing Countries // IEEE Trans, on Energy Conversion. 1986. EC-01. PP: 18-24.

87. Chedid R., SalibaY. Optimization and Control of Autonomous Renewable Energy Systems // International Journal of Energy Research. 1996. V01.20. No. 7.

88. Kaabeche A., Belhamel M., Ibtiouen R. Optimal sizing method for stand-alone hybrid PV/wind power generation system // Revue des Energies Renouvelables SMEE'10 Bou Ismail Tipaza. 2010. PP: 205-213.

89. Ахмед Торки Ахмед Джайлани. Автономные системы электроснабжения фермерских хозяйств Египта с использованием возобновляемых источников энергии: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02 / Моск. гос. агроинженер. ун-т им. В.П. Горячкина. М., 2010. 144 с.

90. Мартиросов С.Н. Разработка метода выбора параметров комбинированных ветро-фотоэлектрических энергоустановок для автономного сельского дома: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.08/ГНУ ВИЭСХ. М., 2001. 133 с.

91. Практические рекомендации по определению удельных показателей энергозатрат и потребностей в топливно-энергетических ресурсах в социально инженерной сфере села (жилой сектор, социально-культурная сфера обслуживания, ЛПХ, крестьянские (фермерские) хозяйства). М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 96 с.

92. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. М.: Сельэнергопроект, 1981. 61 с.

93. Солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов / Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. / Под ред. В.И. Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 276 с.

94. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. 264 с.

95. Дьяконов В.П., Пеньков A.A. MATLAB и Simulink в электроэнергетике. Справочник. М.: Горячая линия - Телеком, 2009. 816 с.

96. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.

97. Vignola F., Miklavzina S., Daniels S., Toamina M., Thorin S., Tyukhov I., Tikhonov A. Energizing the next generation with photovoltaics // 39th ASES National Solar Conference 2010, SOLAR 2010. Phoenix, Arizona, USA, 2010. № 5. P. 3305-3324.

98. Tyukhov I., Schakhramanyan M., StrebkovD., Tikhonov A., Vignola F. Modelling of solar irradiance using satellite images and direct terrestrial measurements with PV modules // Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering. Optical Modeling and Measurements for Solar Energy Systems III. v7410. San Diego, California, USA, 2009. art.no. 741005.

99. Libra M., PoulekV., SimakinV., Tikhonov A., Tyukhov I. Solar energy education for sustainable future: practical projects // The proceeding 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON TEACHING IN PHOTOVOLTAICS. Czech Technical University in Prague. Prague, 2010. P. 98-103.

100. ТюховИ.И., Кузнецов K.B., Тихонов A.B., СимакинВ.В., Учебно-исследовательские стенды по ВИЭ - инвестиции в будущее // Техника в сельском хозяйстве. 2010. №2. С. 15-17.

101. Космические образовательные технологии: инвестиции в будущее (теория и практика) / Под. ред. М.А. Шахраманьяна, И.И. Тюхова, Н.С. Вощенковой. - Калуга: Институт повышения квалификации работников образования, 2009. 776 с.

102. СимакинВ.В., ТюховИ.И. Тихонов А.В., ТихоновП.В., Таныгин В.В. Учебно-лабораторные стенды для исследований комбинированного использования возобновляемых источников энергии // Ориентированные фундаментальные исследования - от современной науки к технике будущего: сборник научных трудов и инженерных разработок. Эксподизайн-Холдинг / Под ред. член-корр. РАН Б.В. Гусева. - М., 2009.

103. Патент РФ на полезную модель № 103419. Мультимедийный учебно-методический комплекс с применением космических технологий / Шахраманьян М.А., Юферев Л.Ю., Тюхов И.И., Прошкин Ю.А., Тихонов А.В. // БИ. 2011. № 10.

104. Тихонов A.B., ТюховИ.И. Система измерения вольт-амперной характеристики солнечных элементов и модулей // Возобновляемые источники энергии: материалы научной молодежной школы с международным участием / Под общей ред. A.A. Соловьева. - М., 2008. 4.2. С. 90-95.

105. СимакинВ.В., ТюховИ.И., Тихонов A.B. Система автоматического измерения вольт-амперных характеристик и мониторинга фотоэлектрических преобразователей и модулей // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments - 2009. Восьмая международная научно-практическая конференция: сборник трудов конференции. Российский университет дружбы народов. М., 2009. С. 307-309.

106. Автономные системы энергоснабжения на базе ВИЭ: тенденции спроса и предложения. URL: http://cleandex.ru/opinion/2010/05/04/renewab1e energy independent system market interview (дата обращения: 15.06.2012).

107. Сокольский A.K. Автономные системы электроснабжения на основе ВИЭ для электрификации заповедных территорий России [Применение комбинированных солнечно-ветровых электростанций с дизельгенератором] // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды Международной научно-технической конференции ГНУ ВИЭСХ. Ч. 4: Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. М., 2008. С. 6675.

108. В Америке строят электрические «заправки». URL: http://gizmod.ru/2008/12/01 / v amerike strojat elektricheskie 34zapravki34/ (дата обращения: 15.06.2012).

109. Солнечная заправочная станция. URL: http://alternativenergy.ru/novosti-alternativnoy-energetiki/180-solnechnaya-zapravochnava-stanciva.html (дата обращения: 15.06.2012).

110. Финские операторы сотовой связи заинтересованы в ВИЭ. URL: http://elektrovesti.net/12740 finskie-operatorv-sotovov-svyazi-zainteresovanv-v-vie (дата обращения: 16.06.2012).

111. Фотовольтаика - опыт Германии. URL: http://solareview.blogspot.com/2009/05/ blog-post 1398.html (дата обращения: 19.04.2011).

112. Интеллектуальные сети: российский взгляд // Информационно-аналитический журнал «ЭнергоЭксперт» для специалистов в области электроэнергетики и электротехники. 2009. № 4.

113. Самсонов B.C., Вяткин М.А. Экономика предприятий энергетического комплекса: учеб. для вузов. 2-е изд. М.: Высш. шк., 2003. 416 с.

114. Экономика энергетики: учеб. пособие для вузов / РогалевН.Д., ЗубковаА.Г., Мастерова И.В. [и др.] / Под ред. Н.Д. Рогалева. - М.: Издательство МЭИ, 2005. 288 с.

115. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Вторая редакция. Официальное издание. М.: Экономика, 2000. 421 с.

116. Росстат: Инфляция в РФ за 2011 год составила 6,1%. URL: http://www.rg.ru/ 201 l/12/30/inflyaciya-anons.html (дата обращения: 18.06.2012).

117. ЦБ выдал прогноз инфляции в России в ближайшие годы. URL: http:// www.novoteka.ru/event/35057587obnovleno-l- (дата обращения: 18.06.2012).

118. Грустный прогноз на перспективу. URL: http://www.vestikavkaza.ru/articles/ Grustnyy-prognoz-na-perspektivu.html (дата обращения: 25.06.2012).

119. Нагорная Н.В. Экономика энергетики: учеб. пособие. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. 157 с.

120. Зябко В.В. Прикладные аспекты внедрения возобновляемых источников энергии. Практический опыт // Возобновляемые источники энергии: материалы восьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. М.: Университетская книга, 2012. С. 130-132.

121. Оптовые цены на дизельное топливо - ООО "ТК ПЕТРОЛЕКС" - стоимость дизельного топлива. URL: http://petrolextk.ru/price http://petrolextk.ru/price (дата обращения: 17.08.2012).

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)

Силовая схема комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Рисунок А.1 - Силовая схема КСАЭ-ВИЭ