Дата публикации: 20.04.2022
Акешов Музаффар Мансурович
Магистрант 2 курса,
Алматинский университет энергетики и связи,
Казахстан, г. Алматы
Научный руководитель: доцент Казанина И.В.
Аннотация
В статье анализировали возможности энергетических микросетей в сельском хозяйстве путём внедрения нескольких возобновляемых источников энергии. При изучении данной темы, были рассмотрены различные виды получении энергии, выяснили все плюсы и минусы у каждого вида ВИЭ, который подходит для построение сельской микросети.
Выполнен анализ состояния и трудности электрообеспечения потребителей сельской местности, который испытывают некие проблемы с электроснабжением отдаленных секторов и изучении возможности применение для этого принципы микросетей. Изучать эффективность производства энергии с помощью микросетей и оценивать технико-экономические характеристики использование данных видов получении электроэнергии.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, микросеть, сельское хозяйство, автономное электроснабжение.
Введение
Микросеть считается прогрессирующим сектором электроэнергетики. У микросетей есть несколько положительных сторон перед децентрализованных системой. Данный вид электрообеспечения сельской местности работает таким образом, что несколько автономные потребители, которые имеют разные виды ВИЭ, соединяются в одну общую микросеть. Получается в микросеть соединяются солнечная и ветровая энергия, а также биотоплива, то есть источники энергии зависимо от местности. Возобновляемая энергетика – область хозяйства, науки, и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счёт использования возобновляемых источников энергии.
В последнее время, когда генерирующие мощности перешли в частное владение, строительство мощных электростанций приостановилось, поэтому процесс охвата энергетическими сетями новых регионов замедлился. Распределительные компании расширяют энергетические сети, но в пределах собственной досягаемости с учётом наличия свободной мощности и, как правило, за счёт потребителей. Далеко стоящие от централизованных линий небольшие поселения, не имеющие достаточных средств на прокладку протяжённых линий электропередач, вынуждены осуществлять электроснабжение своими силами, организуя локальные сети. Обычно эти сети представляют собой дизельную электростанцию напряжением 380\220 В, с распределительными устройствами и линиями электропередач протяжённостью 2 – 3 км. В большинстве случаев электроснабжение в таких поселениях осуществляется не круглосуточно, а по установленному графику, как правило, это несколько часов утром и несколько часов вечером. Это связано с тем, что круглосуточная работа дизельной электростанции за счёт работы в недогруженное время суток имеет низкую эффективность, а отсюда высокая себестоимость электроэнергии. Это приводит к тому, что некоторые потребители, которых не устраивает такое электроснабжение, для ликвидации дефицита электроэнергии устанавливают собственные электростанции. Это бытовые дизельные и бензиновые электростанции, солнечные преобразователи, ветроагрегаты, сетевые инверторы и т.д. Но, даже имея собственный дополнительный источник энергии, трудно добиться высокой экономической эффективности электроснабжения.
Солнечная энергетика
Применение СЭС в микросетях сельских потребителей обеспечивает возможность совместного производства тепловой и электрической энергии как на СЭС прямого типа (преобразование солнечной энергии в электрическую в фотоэлементах), так и на СЭС косвенного типа (солнце нагревает воду и превращает ее в пар, а электроэнергия вырабатывается через турбогенератор), что позволит повысить энергоэффективность объектов сельского хозяйства в целом.
Рисунок 1. Изменение цены на солнечные модули
Применение технологий пассивной солнечной архитектуры в системах энергообеспечения зданий позволяет существенно снизить затраты на отопление, освещение, вентиляцию, кондиционирование вновь сооружаемых зданий не менее, чем на 20…30% без увеличения затрат на строительство [1]. Отметим, что c 2009 по 2015 гг. стоимость фотоэлементов снизилась примерно на 60% [1]. Появились готовые решения «под ключ» по интеграции солнечных электростанций в существующие системы электроснабжения, например, группы компаний «Хевел» [2]. Однако, использование СЭС в микросетях ограничено: – сильной зависимостью выработки электроэнергии от характеристик конкретных фотоэлементов (КПД, стоимости и пр.); – переменным характером выработки тепловой и солнечной электроэнергии как в течение года, так и в течение суток, неравномерностью распределения потенциала солнечной энергии в зависимости от географического расположения региона; – необходимостью использования обязательного дополнительного оборудования – инверторов, накопителей электрической и (или) тепловой энергии («солнечные пруды») (с целью повышения эффективности); – управлением режимами работы СЭС; – отчуждением земли для батарей наземного расположения, долгими сроками окупаемости СЭС.
Ветроэнергетика
Для определения возможности применения того или иного типа ВЭУ в микросетях сельских потребителей следует применять специальный технико-экономический критерий эффективности, учитывающий цену и производительность ВЭУ. Однако применение ВЭС имеет ряд недостатков: производство электрической энергии на ВЭС имеет резко переменный характер, требуется установка дополнительного оборудования, обеспечивающего стабильность режимов работы; накопителей электрической энергии, инверторов, балластного сопротивления, существуют трудности оперативного и автоматического управления режимами работы, коммерческое регулирование режимами работами ВЭС; неоднозначное влияние ВЭС на окружающую среду. При отсутствии выбросов вредных веществ в атмосферу существует негативное влияние лопастей ВЭУ на популяцию птиц, а также влияние на организм животных и человека вибраций и звуковых колебаний, создаваемых при вращении ВЭУ.
Рисунок 2. Ветровой потенциал Казахстана
Одним из путей повышения эффективности применения ВЭС в микросетях сельских потребителей является прямое использование электроэнергии, получаемой от ВЭУ, для нагрева воды для теплоснабжения помещений и обеспечения горячего водоснабжения с применением аккумуляторов тепла, а также применение системы изменения положения ВЭУ в соответствии с направлением ветрового потока.
Биоэнергетика
Процесс производства электрической и тепловой энергии из биотоплива очень отличается в зависимости от применяемого биологического сырья, его свойств и технологического процесса его получения. Всё биологическое сырьё можно разделить на два основных типа – сухое и влажное. Для сухого сырья наиболее эффективным способом получения тепловой энергии являются термохимические технологии (пиролиз, газификация, прямое сжигание), для влажного сырья – биохимические технологии переработки с получением биогаза или жидкого топлива.
Рисунок 3. Принципиальная схема биогазовой установки
В отечественной промышленности и науке имеется огромное количество инноваций и разработок получения биогаза [3]. После первичной подготовки топлива происходит процесс получения электрической энергии путём преобразования её из тепловой в электрическую с применением различных видов электрогенераторов: турбогенератора, газопоршневой или парогазовой установки, дизель-генератора (при применении биодизеля). Таким образом в отличие от ВЭС и СЭС не требуется установка дополнительного оборудования (инверторов, накопителей). Кроме того, применение биоэнергетических установок тоже использовать технологии когенерации тепловой и электрической энергии, а также абсорбционные холодильные машины.
Применение биоэнергетических установок является эффективным средством утилизации отходов различных видов сельскохозяйственных производств, а в отдельных случаях позволяет, кроме электроэнергии и тепла, получить ценный побочный продукт – чистые органические удобрения [3].
Биоэнергетика может являться вспомогательным элементом сельскохозяйственного производства, а в других случаях его специализацией. Например, организация производства биотоплива, древесных и топливных паллет является средством создания новых рабочих мест, конверсии и модернизации сельского хозяйства. Создание эффективной микросети с применением ВИЭ на основе биоэнергетических установок требует комплексного подхода с тщательным технико-экономическим обоснованием всех решений при реализации проекта реконструкции или строительства сельскохозяйственного производства, разработок экономических моделей с высокой степенью детализации.
Особенности построения микросетей с применением ВИЭ.
Один из наиболее эффективных вариантов применения ВИЭ – это электроснабжение объектов сельского хозяйства, расположенных в изолированных энергорайонах. Как правило, в этих районах применяются дизельные электростанции (ДЭС), а для производства тепла – дизельные, мазутные и угольные котельные. Производство тепловой и электрической энергии на таких ДЭС и котельных имеет низкую эффективность вследствие высокой степени износа оборудования, неэкономичных режимов работы, высокой стоимости дизельного топлива и его доставки в удалённые энергорайоны. Главной задачей, определяющей эффективность микросетей, является минимизация стоимости электрической и тепловой энергии, с сохранением высоких показателей надежности и качества электрической энергии. При построении микросети с ВИЭ решается основная целевая задача – это выбор оптимального состава генерирующего оборудования ВИЭ, обеспечивающего максимальное покрытие нагрузок всех потребителей при минимальных мощностях аккумулирования и резервирования при минимальных капитальных и эксплуатационных расходах [4]. На электростанциях с использованием различных ВИЭ производство электрической энергии имеет резко переменный характер. Для снижения последствий данных негативных эффектов переменного характера выработки и потребления электроэнергии, а также повышения энергоэффективности целесообразно одновременное применение разных ВИЭ путём объединения их в одной микросети. Одновременное наложение графиков производства ВЭС и СЭС позволяет добиться более постоянного характера производства электроэнергии. Существуют проекты гибридных станций дизельно-солнечных, дизельно-ветровых, солнечно-ветровых, имеющие технико-экономическое обоснование целесообразности их строительства [5]. Применение балластных сопротивлений, накопителей электрической и тепловой энергии, а также применение систем автоматического управления электрической нагрузкой потребителей микросети, позволяет снизить величину установленной мощности ВИЭ, решать проблемы управления параметрами электрического режима микросети, а так же позволяет повысить ее экономические показатели. Решение проблемы накопления тепловой и электрической энергии является одной из ключевых при построении систем электроснабжения на основе ВИЭ. В зависимости от характера сельскохозяйственного производства предъявляются различные требования к качеству тепловой и электрической энергии. Как правило, требования, предъявляемые к качеству электрической энергии выше, чем к качеству тепловой. Характеристики и стоимость накопителей электрической энергии зависят от материалов и технологий, используемых при их изготовлении, соответственно применение накопителей большой ёмкости и мощности существенно повышают эффективность работы микросетей, но существенно увеличивают их стоимость. Одним из способов накопления электрической энергии является оптимизация технологических режимов работы электроприёмников сельскохозяйственного производства, например, в течение суток, в часы минимума потребления – включение насосов для заполнения резервуаров хранения воды для полива полей, резервуаров питьевой воды животноводческих комплексов, включение двигателей установок по перемолу зерна для приготовления кормов, зарядка электротранспорта и прочее [6]. Подключение микросетей к объектам распределительных сетей единой электроэнергетической системы позволяет снижать ёмкость и мощность применяемых в микросетях накопителей – т.е. обеспечивает возможность выдачи избыточной генерируемой мощности в распределительные электрические сети и возможность потребления дефицитной мощности из распределительных электрических сетей, а также повышать их надёжность [1].
Заключение
1. Модернизация существующих сетей электроснабжения сельских потребителей путём построения микросетей с применением ВИЭ позволит существенно повысить их технические и экономические показатели, обеспечит развитие инфраструктуры сельских территорий и повысит качес тво жизни сельского населения, а также имеет колоссальные положительные экологические эффекты.
2. Распространение микросетей источниками генерации на основе ВИЭ будет способствовать развитию розничных рынков электроэнергии, составит конкуренцию крупным генерирующим компаниям, послужит стимулом к развитию распределительных сетей государственных сетевых компаний и территориальных сетевых компаний, что в конечном счёте приведёт к снижению тарифов на покупку электроэнергии.
3. Построение микросетей на основе мультиконтактных коммутационных систем позволит решить большой ряд задач по обеспечению надёжного, экономичного и качественного электроснабжения сельских потребителей, а также интеграции в них ВИЭ.
Список литературы
1. Попель О.С., Фортов В.Е. Возобновляемая энергетика в современном мире: учебное пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 450 с.
2. ГК «Хевел». Комплексные решения для бизнеса в сфере солнечной энергетики. URL: https://www.hevelsolar.com/b2b/ (дата обращения 10.04.2020).
3. ФГБУ РЭА МИНЭНЕРГО РФ. Биоэнергетика России в ХХI веке. URL: http://www.infobio.ru/sites/default /fi les/bioenergy.pdf (дата обращения 10.04.2020).
4. Харченко В.В., Гусаров В.А. Положения и принципы формирования генерирующего комплекса микросетей на основе ВИЭ // Вестник аграрной науки Дона. 2015. № 32. С. 71-83.
5. The International Renewable Energy Agency (IRENA). REMAP 2030 renewable energy prospects for the Russian Federation. URL: https://www.irena.org/-/media/Files /IRENA/Agency/Publication/2017/Apr/IRENA_REmap_ Russia_paper_2017.pdf (дата обращения 10.04.2020).
6. Родионов Р.В. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. М.: ООО НЦ «ЭНАС», 2010. 352 с.
7. Кешуов С.А., Барков В.И., Алдибеков И.Т. К вопросу использования солнечной энергии для автономного электроснабжения отдаленных хозяйств // Инновации в сельском хозяйстве, 2016, №5 (20). – С. 159-164.