Тема 2. Возобновляемые источники энергии для автономного

Тема 2. Возобновляемые источники энергии для автономного энергоснабжения.
Автономные энергоустановки мощностью от нескольких сотен ватт до
нескольких сотен киловатт являются широко востребованными в различных
секторах экономики и географических регионах России, где вне систем
централизованного энергоснабжения проживает более 20 млн чел. Сегодня
энергоснабжение автономных потребителей обеспечивается в основном с помощью
бензиновых и дизель-генераторов, эксплуатация которых сопряжена с большими
затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Дополнительными
негативными факторами использования таких установок являются выбросы
продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической
проблемой является загрязнение окружающей среды топливными контейнерами.
В последнее время все более широкое применение находят комбинированные
дизель-ветровые или дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки,
использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить
органическое топливо. Однако такие технические решения не приводят к
кардинальному решению проблемы. Они несут с собой большинство существенных
недостатков, характерных для традиционных установок на привозном органическом
топливе.
Целью данной лекции является анализ возможности создания автономных
энергоустановок, работающих только на возобновляемых источниках энергии,
среди которых солнечная и ветровая энергия являются наиболее универсальными и
повсеместно доступными.
Рисунок 2.1 – Среднедневные суммы солнечной радиации за год, оптимально
ориентированная поверхность
Рисунок 2.2 – Среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м
Россия, как и другие страны, располагает значительными ресурсами
солнечной и ветровой энергии. На рис. 2.1, 2.2 представлены карты распределения
поступления солнечной радиации и средней скорости ветра по территории России.
Карты построены с использованием результатов многолетних спутниковых
наблюдений NASA. С точки зрения оценки ресурсов солнечной энергии, наиболее
объективными являются данные о приходе солнечной радиации на поверхности,
оптимально (т. е. обеспечивающие максимальный сбор солнечного излучения)
ориентированные в пространстве. Солнечные коллекторы и фотопреобразователи
обычно устанавливаются неподвижно (без систем слежения за Солнцем) с
ориентацией приемной поверхности на юг. При этом в зависимости от широты
местности и периода эксплуатации установки существует оптимальный угол
наклона приемника к горизонту, равный при круглогодичной эксплуатации
примерно широте, а при сезонной (теплый период года) – широте -10–15°.
Приведенная карта (рис. 2.1) распределения поступлений солнечной радиации
построена для оптимальных углов, соответствующих максимальным годовым
суммам солнечной энергии. Следует подчеркнуть, что при этом каждой
географической точке соответствует свой оптимальный угол наклона приемника к
горизонту. Интересно отметить, что при таком подходе к оценке ресурсов в
существующих границах России наиболее солнечными регионами являются
Приморье и юг Иркутской области (среднегодовое поступление солнечной энергии
4,5–5 кВт•ч/м2•день). Северный Кавказ, включая Сочи, характеризуется примерно
такими же годовыми поступлениями солнечной радиации, как и Якутия (4–4,5
кВт•ч/м2•год). Важно отметить, что приведенные данные опровергают утверждения
о том, что Россия является страной, где использование солнечной энергии
вследствие ее высокоширотного расположения малоперспективно. Поступления
солнечной радиации в наиболее солнечных регионах страны практически не
уступают «солнечной» Испании, где суммы солнечной радиации больше всего на
10–15 %. Даже в самых северных районах страны имеются значительные ресурсы
для эффективного использования солнечной энергии, по крайней мере, в летнее
время.
Что касается ветровых ресурсов, то в России они максимальны в районах
морских побережий. Значительными ресурсами располагает и юг европейской части
страны.
Существенными недостатками солнечной и ветровой энергии являются
относительно низкая плотность энергетических потоков (для солнечной энергии
среднегодовая мощность не превышает 200–250 Вт/м2, а для ветра (при средней
скорости ветра 5–6 м/с) – менее 100 Вт/м2, а также их нерегулярность и зависимость
от сезонных и погодных условий.
В такой ситуации основной научно-технической проблемой создания
эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии
является проблема аккумулирования энергии.
Как показывают отечественные и зарубежные исследования, применение в
составе солнечно-ветровых установок водородных накопителей, представляющих
собой комбинацию электролизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и
батареи топливных элементов, обеспечивающих эффективное (практически без
потерь) долгосрочное аккумулирование энергии, может обеспечить кардинальное
решение указанной выше проблемы аккумулирования энергии и позволит создать
полностью автономные экологически чистые автоматизированные солнечноветровые энергоустановки с высокими потребительскими качествами.
Изложенное выше определяет целесообразность проведения расчетных и
экспериментальных исследований в обоснование оптимальных конфигураций
автономных
энергоустановок,
состава
и
конструкции
комплектующего
оборудования с учетом реальных климатических условий эксплуатации и
особенностей потенциальных потребителей.
Концепция автономной энергоустановки на ВИЭ. Упрощенная структура
автономной
энергоустановки
рассматриваемой
фотоэлектрические
на
ВИЭ
энергоустановки
изображена
входят
преобразователи
и
на
первичные
рис.
3.
источники
ветроустановка,
выработка
В
состав
энергии:
энергии
которыми, как правило, существенно не совпадает с графиками потребления
энергии потребителем, который, в общем случае, нуждается в электроэнергии, в
тепловой энергии, а также, в ряде случаев, и в холоде. В этой ситуации ключевым
компонентом
автономной
системы
является
система
аккумулирования,
преобразования и вторичной генерации энергии. Для обеспечения наиболее
эффективного преобразования первичных видов энергии и удовлетворения нужд
потребителя
энергоустановка
автоматического управления.
должна
быть
снабжена
«умной»
системой
Рисунок 2.3. Основные компоненты автономной энергоустановки
на ВИЭ
Выработка
ветроустановкой
энергии
сильно
фотоэлектрическими
зависит
от
преобразователями
климатических
условий
(ФЭП)
и
эксплуатации
установки. Мощность ФЭП изменяется во времени пропорционально облученности
их рабочей поверхности солнечным излучением. Мощность ветроустановки на
основном рабочем участке пропорциональна кубу скорости ветра. Поступление
солнечного излучения на поверхность земли, также как и скорость ветра,
изменяются в зависимости от погодных условий, имеют ярко выраженные суточные
и сезонные зависимости. Так, среднемесячный летний приход солнечного излучения
в средних широтах в 4–5 раз превышает среднемесячное поступление в зимние
месяцы.
Для краткосрочного аккумулирования электроэнергии (до нескольких часов) в
составе
автономных
энергоустановок
используются
электрохимические
аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надежность становятся, как
правило, неприемлемыми при попытках построить систему аккумулирования
долгосрочного
хранения
энергии.
В
этой
ситуации
включение
в
состав
энергоустановки водородного накопителя энергии (рис. 2.4), представляющего
собой комплекс из электролизера воды, ресиверов водорода и кислорода
необходимой емкости, в которых газы хранятся под давлением, и батареи
топливных элементов, оказывается привлекательным, поскольку такое техническое
решение позволяет решить проблему долгосрочного хранения энергии практически
без потерь.
Рисунок 2.4. Схема водородного накопителя
Вместе с тем, обеспечение большого ресурса работы топливных элементов и
электролизеров требует стабилизации режимов потребления / отбора мощности; их
эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена. В этой связи
целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются
различные источники электрической энергии, одни из которых, ввиду их высокой
энергоемкости (топливные элементы), можно рассматривать как источники энергии,
а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) – как
источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления
мощности нагрузкой. Согласовать режимы работы источников энергии и мощности
можно с помощью соответствующих электронных преобразователей.
Итак, разработка полностью автономной эффективной энергоустановки,
использующей в качестве первичных источников энергии солнечную и ветровую
энергию, связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и
состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик
используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая
ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности
должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном
энергообеспечении потребителя. Решение задачи создания таких оптимальных
автономных энергоустановок возможно лишь на основе сочетания расчетнотеоретических и экспериментальных исследований, основные направления которых
обсуждаются ниже.
Моделирование автономных энергоустановок. Исходя из целей моделирования,
описания
отдельных
устройств
должны
содержать
основные мощностные,
энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели, а также показатели
эффективности (КПД) и потерь энергии, позволяющие проводить соответствующий
анализ и оптимизацию, а также параметры метеогода для различных географических
районов
и
режима
нагрузки,
которые,
очевидно,
оказывают,
наряду
с
технологическими параметрами устройств энергоустановки, решающее влияние на
результаты оптимизации. Другие характеристики устройств, например, уровни
напряжения и тока, вольтамперные (при адекватном учете потерь энергии и
мощности), температурные, нагрузочные зависимости и т. п. могут быть исключены
из рассмотрения, по крайней мере, на первых этапах исследований на компьютерной
модели, поскольку они не оказывают существенного влияния на принятые критерии
оптимизации.
Для
иллюстрации
возможностей
практического
использования
разрабатываемой модели приведем некоторые результаты предварительного
сравнительного
анализа
возможности
создания
полностью
автономных
энергоустановок на базе использования фотоэлектрических и/или ветровых
установок в реальных климатических условиях.
Рассмотрим следующие простейшие варианты конфигурации автономной
энергоустановки.
В
качестве
первичных
источников
энергии
рассмотрим
фотоэлектрическую батарею, ветроустановку или их комбинацию. В качестве
системы
аккумулирования
и
вторичных
источников
энергии
выберем
электрохимическую батарею и ее комбинацию с водородным накопителем. Для
упрощения анализа рассмотрим возможность покрытия с помощью автономной
энергоустановки постоянной в течение года нагрузки мощностью 1 кВт. Сравнение
показателей энергоустановок проведем для климатических условий г. Ахтубы
(Астраханская обл.).
Распределения среднедневных сумм солнечной радиации и среднедневных
скорости ветра в течение года, характерные для данного места, приведены на рис.
2.6.
Рисунок 2.6. Годовые среднедневные распределения сумм
солнечной радиации (красные) и скорости ветра (синие)
Видно, что среднедневные суммы солнечной радиации имеют ярко
выраженный максимум в летнее время, в то время как средняя скорость ветра в
данном регионе имеет более равномерное распределение в течение года с
некоторым снижением интенсивности в летний период.
На рис. 2.7 представлены расчетные зависимости полной стоимости солнечноводородной энергоустановки от годовой доли (s) покрытия нагрузки (1 кВт) и
следующих 4 конфигураций энергоустановок:
- фотопреобразователь + аккумуляторная батарея (PV);
- ветроустановка + аккумуляторная батарея (Wind);
- фотопреобразователь + ветроустановка + аккумуляторная батарея (PV +
Wind);
- фотопреобразователь + ветроустановка + аккумуляторная батарея +
водородный накопитель (PV + Wind + H 2 ).
Представленные кривые соответствуют оптимальной комбинации мощности
первичного источника и емкости аккумуляторной батареи, при которых стоимость
установки для заданной доли покрытия годовой нагрузки минимальна.
Расчетные исследования проводились для следующих исходных данных.
Фотопреобразователи: КПД – 15 %, удельная стоимость – 5 долл. США за
пиковый Вт (при облученности 1 000 Вт/м2), угол наклона к горизонту равен широте
местности, ориентация – южная, затенение отсутствует.
Ветроустановка: удельная стоимость – 2 500 долл. США за кВт (при скорости
ветра 9 м/с), минимальная рабочая скорость ветра – 3 м/с, в диапазоне скоростей
ветра 3–9 м/с кубическая зависимость генерируемой мощности от скорости ветра,
при скорости ветра более 9 м/с генерируемая мощность постоянна.
Рисунок 2.7. Зависимость стоимости автономной
энергоустановки от доли покрытия годовой нагрузки
Рисунок 2.8. Стоимость и параметры полностью автономных
энергоустановок, обеспечивающих 100 % покрытие годовой
нагрузки
Электрохимический аккумулятор: КПД – 95 %, саморазряд – 0,1 % в час,
удельная стоимость – 500 долл. США за 1 кВт•ч емкости.
Предполагалось, что водородный накопитель суммарной стоимостью 2 500
долл.
США
(перспектива)
производительностью
по
включает
водороду
в
–
себя
электролизер
0,28
м3/кВт
и
с
удельной
максимальной
производительностью до 1нм3 водорода в час, батарею топливных элементов с
удельным расходом водорода – 0,5 м3/кВт, максимальной мощностью до 1 кВт и
коэффициентом собственных нужд в ждущем режиме – 1 %, ресиверы водорода и
кислорода (без утечек газов) соответственно емкостью 15 и 7,5 нм3. КПД
согласующих преобразователей, входящих в состав водородного накопителя – 95 %.
Оптимизационных расчетов по обоснованию его оптимальной конфигурации
(мощности электролизера, батареи топливных элементов и объемов ресиверов) на
данном этапе не проводилось. Водородный накопитель описанного состава
включался в рассматриваемые варианты автономных энергоустановок как единое
целое.
Видно, что с ростом годовой доли покрытия нагрузки стоимость установок
растет, что обусловлено необходимостью увеличения как номинальной мощности
первичных источников энергии, так и емкости системы аккумулирования энергии,
причем темп роста стоимости возрастает с ростом доли покрытия нагрузки. Точки
пересечения кривых с правой вертикальной осью соответствуют 100 % покрытию
годовой нагрузки, т. е. такие установки являются полностью автономными, и в
течение года не требуется использования каких- либо дополнительных источников
энергии.
На рис. 2.8 приведены результаты расчета стоимости и оптимальных
параметров
полностью
автономных
энергоустановок
(D
=
100
%)
для
рассмотренных климатических условий.
Наиболее дорогим оказывается первый вариант, в котором в качестве
первичного источника энергии используется лишь ФЭП. В этом случае в
рассмотренных климатических условиях для гарантированного энергоснабжения
нагрузки мощностью 1 кВт необходимо иметь батарею ФЭП площадью около 70 м2
(10,5 кВт пик ) и аккумуляторную батарею емкостью около 70 кВт•ч. Во втором
варианте при использовании в качестве первичного источника энергии только
ветроустановки ее установленная мощность должна быть около 15 кВт, емкость
аккумуляторной батареи по сравнению с первым вариантом может быть уменьшена
до
50
кВт•ч.
Комбинирование
ФЭП
с
ветроустановкой
обеспечивает
синергетический эффект: расчетная стоимость установки по сравнению с первым
вариантом снижается почти в 3 раза, с одновременным снижением потребной
емкости аккумуляторной батареи до 30 кВт•ч. Установленные мощности первичных
источников энергии могут быть также снижены ФЭП до 1,5 кВт, а ветроустановки
до 4 кВт. Такой эффект объясняется тем, что солнечный и ветровой первичные
источники удачно дополняют друг друга: в периоды, когда снижается солнечная
радиация, усиливается ветер и наоборот (см. рис. 6). Включение в состав
энергоустановки водородного накопителя (вариант 4) приводит к дополнительному
снижению стоимости всей установки (при выбранной несколько оптимистической
стоимости такого накопителя) и что более важно, обеспечивает возможность
уменьшения емкости электрохимической батареи до 10 кВт•ч, что в 7 раз меньше,
чем в первом варианте.
Следует
отметить,
что
представленные
результаты
расчетов
носят
предварительный характер. Однако на их основе можно сделать вывод о том, что
применение солнечных и ветровых установок в качестве первичных источников
энергии
позволяет
обеспечивающие
в
создать
различных
полностью
автономные
климатических
условиях
энергоустановки,
гарантированное
круглогодичное покрытие электрических нагрузок, по крайней мере, небольших
потребителей. Наиболее эффективными представляются гибридные установки,
оптимально (в зависимости от климатических условий) сочетающие солнечные и
ветровые установки и источники энергии. Проблемы, связанные с чрезмерно
большими
аккумуляторами
энергии
на
базе
электрохимических
батарей
принципиально могут быть решены за счет применения комбинированных
энергоустановок с водородными накопителями, обеспечивающими долгосрочное
аккумулирование
энергии
и
кардинальное
снижение
потребной
емкости
аккумуляторных батарей.
К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести
относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая
удельная
мощность
массогабаритных
потока
энергоносителя
показателей
энергоресурса,
вплоть
необходимость
в
до
энергоустановок,
периодов
устройствах
его
приводит
а
увеличению
изменчивость
полного
аккумулирования
к
первичного
отсутствия,
энергии
вызывает
или
резервных
энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается
высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.
Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЭ,
является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями,
предусматривающими
как
улучшение
техникоэкономических
характеристик
собственно энергетического оборудования, так и оптимизацию его энергетических
балансов и режимов с учетом изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого
источника.
С
точки
зрения
процесса
энергопреобразования
первичного
энергоносителя в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику
следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической системой
относительно
большой
децентрализованной
мощности.
системы
В
первом
электроснабжения
случае
энергобаланс
определяется
соотношением
графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала
возобновляемого энергоресурса.
Указанные
обстоятельства
вызывают
энергоустановок
возобновляемой
энергетики
необходимость
с
потребителем.
согласования
В
процессе
согласования должны решаться следующие задачи.
1. Обеспечение максимально эффективного использования возобновляемого
энергоресурса.
2. Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что, в
большинстве случаев, требует включения в энергосистему накопителей энергии.
3. Управление режимами работы преобразователей энергии, регулирование
параметров генерируемой электроэнергии.
Для решения указанных задач используются различные схемные решения
энергоустановок.
1. Система со сбросом излишков энергии (рис. 1). Данный способ
согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потребителей
отличается максимальной простотой и заключается в использовании части
потенциала первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения
текущего значения нагрузки потребителя. Оставшаяся энергия возобновляемого
источника не используется. Системы энергообеспечения такого типа широко
применяются
в
конструкциях
гидроэлектростанций,
ветроэлектростанций
с
изменяемым шагом ветротурбин, в системах солнечного обогрева с управляемыми
заслонками и др.
Рис.2.9. Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями:
а) система со сбросом энергии; б) система с накопителем энергии; в) система
лируемой нагрузкой. 1 – ВИЭ; 2 – преобразователь энергии; 3 - потребитель; 4 –
сброс в окружающую среду; 5 – накопитель; 6 – регулятор
2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первичного
энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной нагрузки, могут
аккумулироваться и, в свою очередь, питать нагрузку в периоды недостатка
потенциала возобновляемого энергоресурса. В качестве накопителей энергии могут
использоваться различные устройства: гидроаккумулирующие системы, маховики,
аккумуляторные батареи и др. Данные системы более эффективно используют
первичный энергоресурс и широко применяются практически во всех типах
энергоустановок возобновляемой энергетики
3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы обеспечивают полное
использование первичного энергоресурса за счет управления текущей мощностью
нагрузки. Регулирование нагрузок обычно осуществляется автоматически с
помощью полупроводниковых автобалластных систем. В качестве балластных
нагрузок низкого приоритета применяются нагревательные устройства.
Экономическая оценка. Повышение уровня надежности, срока службы и
снижение стоимости энергетических средств с использованием возобновляемых
источников энергии (ВИЭ), осуществленное за последнее десятилетие, позволяет
эффективнее использовать фотоэлектрические (ФЭС) и ветроэлектрические станции
(ВЭС), микроГЭС для экологически чистого электроснабжения автономных
(удаленных
финансовых
от
энергосистемы)
средств
и
потребителей
времени,
в
при
частности,
значительной
на
экономии
строительство
линий
электропередачи.
Необходимо отметить, что основная масса населения (около 1,2 млрд.
человек), не обеспеченного электричеством, сосредоточена в солнечном поясе
Земли вблизи экватора (Африка, Юго-Восточная Азия и Океания, Южная Америка).
В России потенциальными потребителями возобновляемой энергетики
являются садово-огородные участки сельских и городских жителей, (которые
требуют
преимущественно
сезонное
летнее
электроснабжение),
а
также
значительная часть сельского населения, расположенного в децентрализованной
зоне: чабаны, пастбищные стоянки и водопойные пункты, полеводческие и
животноводческие бригады, охотники-промысловики и т.д.
Всего насчитывается около 12,8 млн. человек, проживающих в областях, для
энергоснабжения
которых
используются
дизельные
или
бензиновые
электростанции, привозной керосин или газ в болонах, древесное топливо, а часть
сезонных потребителей вообще не имеют современных средств энергоснабжения
(около 12,1 млн. человек).
Эффективность использования энергии Солнца, ветра, малых рек для
выработки электроэнергии зависит от величины возобновляемых энергоресурсов в
месте использования, первоначальной стоимости энергоустановок, а также объема
необходимой электроэнергии.
Топливная составляющая в себестоимости вырабатываемой энергии ФЭС,
ВЭС и микроГЭС отсутствует, что при небольших объемах производства
электроэнергии делает энергетические установки, при достаточных возобновляемых
энергоресурсах, конкурентно-способными, а при некоторых условиях и более
выгодными, по сравнению с традиционными способами энергообеспечения. На
основании накопленного опыта по эксплуатации систем электроснабжения,
использующих ВИЭ, в различных регионах России и др. странах можно
предоставить достоверную информацию об экономической целесообразности
выбора того или иного варианта.
Сколько человеку или семье нужно электроэнергии? Объем годового и
суточного потребления электричества семьей зависит от климатических условий,
расположения
дома,
количества
электроприборов,
уровня
социально-
экономического развития общества и изменяется в широких пределах. Для
автономно стоящего дома приоритетными процессами электрификации являются:
система водоснабжения, освещение, радиосвязь, электропитание телевизора,
холодильника, электроинструментов и других маломощных потребителей, при
использовании
которых
желательно
следовать
принципу
рационального
использования энергии (применение энергосберегающего оборудования).
При рассмотрении схемы электрификации наибольший интерес представляет
обеспечение электроэнергией одной семьи (дом, коттедж), пяти семей (фермерское
хозяйство) и двадцати пяти семей (деревня), при соответствующих объемах
суточного электропотребления: 2, 10 и 50 кВтч.
Для последующего сравнения экономической эффективности применения
установок, производящих электроэнергию на основе ВИЭ с традиционными
способами энергообеспечения (дизель-электрические генераторы, соединение с
центральной электросетью) приняты следующие ограничения: для условий России и
стран СНГ среднесуточная инсоляция равна 3-5 кВтч/м 2 , скорость ветра - 5-7 м/с,
скорость водотока через микроГЭС - 1 м/с. Учитывая, что промышленностью начат
выпуск маломощных (до 0,5 кВт) свободнопоточных (наплавные и погружные)
микроГЭС, рассмотрена возможность их использования для автономного дома, для
более мощных потребителей рассматривается применение напорных микроГЭС;
капитальные инвестиции в микроГЭС определены в размере 500 USD/ кВт
установленной мощности.
Рисунок 2.10 – Себестоимость выработки электроэнергии для
фотоэлектрических систем в зависимости от суточного прихода солнечной энергии
На рис.2.10 представлена себестоимость выработки электроэнергии для
фотоэлектрических систем в зависимости от суточного прихода солнечной радиации
при существующих мировых ценах на комплекты оборудования около 10.000
USD/кВт пиковой мощности и сроке службы 15 лет.
На рис.2.11 представлена себестоимость выработки электроэнергии ВЭС в
зависимости от скорости ветра при стоимости установки 1.000 USD/кВт
установленной мощности и сроке службы 10 лет.
Рисунок 2.11 – Себестоимость выработки электроэнергии ВЭС
Необходимо иметь в виду, что выработка электроэнергии ФЭС прямо
пропорциональна величине и количеству солнечной радиации в течение года, а
пороговое значение начала работы ФЭС (зарядки аккумуляторов), в зависимости от
КПД, обычно определяется минимальной инсоляцией в 200 Вт/м 2 . В то же время
выработка электроэнергии ВЭС прямо пропорциональна кубу скорости ветра и
зависит от характеристик распределения скорости ветра в год (рассчитываемое по
двухпараметрическому
уравнению
Вейбулла)
и
технических
параметров
ветроэнергоустановки (начальная и расчетная скорость ВЭС, высота башни и т.д.).
Принимая во внимание все выше перечисленное, необходимо отметить, что
представленные графики имеют качественный оценочный характер и для каждого
конкретного случая требуется уточнение с учетом параметров применяемого
оборудования и характеристик возобновляемых энергоресурсов местности.
Рис.2.12. Стоимость кВт*ч электроэнергии, произведенной различными
энергетичесими системами, в зависимости от потребностей 1-напорная мини ГЭС,
1’- мини ГЭС прямого потока 2- фотоэлектрические системы 3- ветровая
электростанция 4- дизельная электростанция 5- электричество от сети, при
расстоянии до потребителя в 10 км.
На
рис.2.12.
представлены
результаты
сравнительных
данных
по
экономической эффективности применения различных энергоисточников.
Величина инвестиций в стоимость дизельного электроснабжения (дизельные
генераторы мощностью менее 10 кВт) принята равной 500 USD/кВт, стоимость
дизельного топлива - 0,5 USD/литр, а срок службы - 15 лет. Стоимость
строительства низковольтных линий электропередачи (ЛЭП) для условий России
находится в пределах от 12.000 до 25.000 USD/км, зависит от конструкции ЛЭП и
условий прокладки трассы. В расчетах принята стоимость 1 км ЛЭП - 15.000
USD/км. Во всех случаях учетная ставка принята равной 10%.
Как видно из графика (рис.3) при малых объемах потребления электроэнергии
(до 50 кВтч/день) в сельской местности (дача, юрта, яра, яранга, сакля, коттедж,
хутор,
пастбищная
стоянка,
водопойный
животноводческий
пункт,
растениеводческая бригада, сельский поселок и т.д.) электроснабжение на основе
фотоэлектрических станций дешевле при потреблении энергии до 4кВтч/день;
ветроэлектрических станций - до 15 кВтч/день, свободнопоточные микроГЭС
требуют наименьших затрат в случае автономного дома, в то время как напорные
микроГЭС (мощностью свыше 3,5 кВт) экономически более эффективны при
суточном потреблении до 50 кВтч. Наклон графических элементов гистограммы на
рис.3 показывает соответствующие значения себестоимости ФЭС для величин
прихода солнечной радиации, равных 0,5 кВтч/м 2 /день (меньшая величина) и 0,3
кВтч/м 2 /день (большая величина). Для ВЭС - при скорости ветра 7 м/с (меньшая
величина) и 5 м/с.
В заключение, при рассмотрении электрификации автономных потребителей,
необходимо отметить, что гидроресурсы малых рек ограничены, а в отдельных
случаях
требуют
прокладки
ЛЭП.
Аналогичная
ситуация
состоити
с
ветроэнергетическими установками: зоны с благоприятными ресурсами ветра
расположены в основном по побережьям морей, где имеется значительный перепад
температур в приземном слое, где экономическая целесообразность подсказывает
создание парка ВЭС и организацию системы электроснабжения со строительством
ЛЭП.
Учитывая динамику развития производства фотоэлектрических систем
ведущими фирмами многих стран, ожидается снижение себестоимости пиковой
мощности ФЭС (6) в начале следующего века до 3.000 USD/кВт, что значительно
расширит
зону
эффективного
использования
ФЭС
для
автономного
электроснабжения, особенно в солнечном поясе Земли с богатыми солнечными
ресурсами.