5784 УДК 620.9
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Аканов Әбілмансұр
Ученик 11 «А» класса КГУ «Улкен Нарынского сельского лицея», с. Улкен Нарын, Восточно-Казахстанской области
Научный руководитель – учитель физики КГУ «Улкен Нарынского сельского лицея», с. Улкен Нарын, Восточно-Казахстанской области Г.К. Садыкова
Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из основных факторов при разработке новых технологий. Человечество прошло путь от первого костра до атомных электростанций, освоило добычу традиционных энергетических ресурсов — угля, нефти и газа, научилось использовать энергию рек, освоило «мирный атом». Однако в последнее время все активнее обсуждаются вопросы использования новых, нетрадиционных, альтернативных источников энергии.
Существует ряд причин для освоения возобновляемых видов энергии: — непрерывный рост промышленности как основного потребителя энергии. При нынешних запасах и современном уровне развития промышленности угля хватит примерно на 270 лет, нефти на 35-40 лет, газа на 50 лет [1]; — необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, особенно связанных с организацией глубокого бурения и другими сложными, наукоемкими технологиями; — экологические проблемы, связанные с добычей и использованием энергетических ресурсов.
Кроме того, развитие возобновляемой ветро-, солнце-, термальной и гидроэнергетики поможет модернизировать экологически небезопасные и низкоэффективные производства. До недавнего времени вопросам развития использования возобновляемых источников энергии уделялось сравнительно мало внимания. В последние годы ситуация стала кардинально меняться. Защита и охрана окружающей среды способствуют активизации усилий в мире по созданию зеленой энергетики, движению к низкоуглеродной экономике [1].
Одним из приоритетных направлений развития электроэнергетики и решения экологических проблем Казахстана является использование возобновляемых энергетических ресурсов. По экспертным оценкам, потенциал возобновляемых энергетических ресурсов в Казахстане весьма значителен. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электрической энергии в Республике составляет менее 1%. Согласно концепции «Стратегия устойчивой энергетики будущего Казахстана до 2050 года»
планируется увеличение доли ВИЭ в общем энергобалансе страны до 2050 года.
В данное время с учетом климатических условии одним из перспективных направлений развития ВИЭ является внедрение ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой (до 10 кВт) и средней (до 100 кВт) мощностей, которые не требуют больших капитальных затрат по сравнению с ВЭУ большой мощности.
Все выпускаемые ветроустановки рассчитаны на выработку качественной электроэнергии номинальной мощности ВЭУ при расчётной скорости ветра, колеблющуюся в пределах от 9 до 13 м/с, в зависимости от типа ВЭУ. Выработка некачественной электроэнергии генератором ВЭУ начинается при минимальной скорости ветра, равной 2-3 м/с. Поэтому основным показателем эффективного использования ВЭУ является выбор района с высоким показателем среднегодовой скорости ветра.
По статистическим данным скорости ветра, ветровой ресурс Казахстана условно можно разделить на три зоны. Первой зоне относится местности, где среднегодовая скорость
5785
ветра выше 6 м/с. Второй ветровой - территории со средней скоростью ветра 4-5 м/с. Третий зоне, где средняя скорость ветра составляет 1,5-2 м/с.
Из сравнения среднегодовых скоростей ветра и расчётных скоростей ВЭУ видно, что первая ветровая зона эффективен для применения существующих ВЭУ. Применение ВЭУ во второй зоне является менее эффективным, так как низкое поступление ветрового потока приводит к выработке некачественной электроэнергии. Без применения специальных устройств, предназначенных для улучшения качества электроэнергии, вырабатываемую энергию можно использовать только для теплоснабжения. Использование ВЭУ в третей зоне неэффективно, так как ожидается минимальная выработка электрической энергии.
Для повышения выработки качественной электроэнергии во второй ветровой зоне разработаны схемные решения, позволяющие преобразовать электроэнергию, вырабатываемую генератором ВЭУ при скорости ветра ниже расчётной. Принцип работы данных схем основан на преобразовании вырабатываемого переменного напряжения изменяющейся частоты в зависимости от скорости ветра в выпрямленное пульсирующее напряжение, которое в дальнейшем инвертируется в переменное напряжение с постоянной частотой 50 Гц. С целью обеспечения постоянства величины напряжения на выходе установки применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, стабилизаторы и управляемые выпрямители.
Для реализации данного принципа преобразования энергии разработаны различные схемные решения. Однако при использовании управляемых выпрямителей не удаётся максимально использовать энергию, вырабатываемую генератором. Применение стабилизатора напряжения за генератором влечёт за собой большие потери мощности при частоте ниже номинальной [2].
В известных схемах выходные параметры напряжения и тока имеют низкие показатели или же не соответствуют стандартам качества электрической энергии по синусоидальности вследствие инвертирования выпрямленного пульсирующего напряжения.
Использование сглаживающего фильтра для снижения пульсаций не позволяет добиться требуемого результата из-за непостоянства частоты и величины выпрямленного напряжения [3].
Рисунок 1- Схема использования ВЭУ в системе электроснабжения:
5786
ВК - ветроколесо; Г - генератор; СУ - сглаживающее устройство; УСН - устройство согласования величин напряжений ВЭУ и централизованного источника питания; В - неуправляемый выпрямитель; И - инвертор; С - стабилизатор; Ш - общие шины; ЦИП - центральный источник питания; П - потребитель; ЦИП - централизованный источник питания; П - потребитель
Перечисленные недостатки не позволяют включить ВЭУ непосредственно к электрической сети, по которой осуществляется централизованное электроснабжение потребителей. Вследствие чего в основном выпускаемые ВЭУ работают совместно с централизованным источником электроснабжения по раздельной схеме или же применяются для автономного электроснабжения потребителей совместно с аккумуляторными батареями.
Для исключения перечисленных недостатков авторы [3] предлагают схему (рисунок 1), позволяющая максимально использовать энергию ветрового потока и обеспечить потребителей качественной электрической энергией [3].
Представленная ВЭУ состоит из ветроколеса и синхронного генератора, подключаемого к инвертору, дополнительно содержащему сглаживающее устройство и устройство согласования величин напряжений централизованного источника питания и ВЭУ.
В основу инвертора входят силовые транзисторы, которые являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами. Из-за подачи на вход инвертора выпрямленного пульсирующего напряжения сглаживающее устройство, подключенное к общим шинам, входной и управляющей цепям инвертора, корректирует управляющий сигнал инвертора в зависимости от величины и коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет получить на выходе инвертора синусоидальное напряжение. Это дает возможность подключить инвертор к общим шинам через стабилизатор напряжения, позволяющий поддерживать номинальное напряжение на выходе установки.
К стабилизатору напряжения и общим шинам подключается устройство согласования величины напряжения централизованного источника и напряжения на выходе установки, которое осуществляет корректировку величины выходного напряжения установки, в зависимости от величины напряжения на общих шинах.
Для предотвращения подачи обратного тока на установку от сети при рассогласовании величин вырабатываемого напряжения установкой и напряжения на шинах между общими шинами и стабилизатором напряжения устанавливается реле обратного тока.
В случае отключения питания централизованной системы оперативным персоналом, либо средствами релейной защиты, сглаживающее устройство теряет питание от шин, в результате чего выработка электрической энергии моментально прекращается, что не допускает работу установки на короткое замыкание.
Таким образом, представленная схема использования ВЭУ позволяет максимально использовать энергию ветра для выработки качественной электрической энергии, экономить её потребление от централизованного источника и снизить потери напряжения и мощности в линии электропередач.
Список использованных источников
1. Куашнинг Ф. Системы возобновляемых источников энергии. – Астана: 2013. –432 с.
2. Пат. 2325551 Российская Федерация. Устройство для автономного энергоснабжения потребителей/С.К. Шерьязов, А.А. Аверин. Опубл. 26.12.2006 г.
3. Шерьязов С.К., Шелубаев М.В. Использование ветроустановки в системе электроснабжения // Вестник КарсГАУ №4, - Челябинск: 2010. С. 210-213
