Использование природных возобновляемых энергоресурсов для производства тепловой и электрической энергии является объективной необходимостью современной энергетики. Неисчерпаемость и экологическая чистота возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на фоне стремительного сокращения запасов органического топлива, все более остро встающих проблем изменения климата Земли и загрязнения атмосферы, делают их наиболее привлекательными из всех существующих видов энергии.
С точки зрения диапазона мощностей все электроустановки, приводным двигателем которых служит энергия ветра или потоков воды, можно разделить на электроустановки для «большой» и «малой» энергетики. По принятой в настоящее время классификации к установкам класса «микро» относят электростанции установленной мощностью до 100 кВт. В большинстве случаев они предназначены для работы в автономной системе электроснабжения на изолированного потребителя. Более крупные электростанции, как правило, работают на электрическую сеть. Данный тип электростанций получил преимущественное распространение в экономически развитых странах Европы. Относительно небольшие территории, высокая плотность населения и развитая инфраструктура делают данный класс электроустановок экономически более привлекательным. Эксплутационный режим работы мощных ветро- и гидроэлектростанций близок к оптимальному: вся снимаемая с первичного двигателя энергия ветра или потоков воды преобразуется в электрическую энергию и передается в электрическую сеть. Повысить эффективность применения подобных электроустановок возможно только за счет увеличения коэффициента полезного действия преобразования первичной энергии и снижения стоимости их конструкции.
Не отрицая перспективности сетевых электростанций, отметим актуальное для России направление использования ВИЭ в децентрализованных системах электроснабжения. Низкая плотность населения и слабое развитие транспортной, энергетической, производственной и др. инфраструктуры на большей части территории страны, очевидно, определяют актуальность и конкурентоспособность возобновляемой энергетики в децентрализованных зонах.
Основной проблемой электроустановок, использующих ВИЭ, при работе в составе автономной системы электроснабжения является значительная изменчивость во времени как энергии первичного энергоносителя, так и графика нагрузки потребителя энергии. И согласовать между собой эти неизбежные колебания входной и выходной энергии по объективным причинам не представляется возможным. Поэтому в большинстве случаев в составе автономных энергоустановок, использующих природную возобновляемую энергию, предусматривается применение буферного устройства накопления энергии (чаще всего аккумуляторной батареи) и резервного источника энергии (чаще всего дизельной электростанции). В связи с этим, удельные капиталовложения в электроустановки, работающие в автономной сети, оказываются существенно выше, чем капзатраты на электростанции, работающие параллельно с электрической сетью. Однако, при этом имеются существенные резервы повышения эффективности применения электроустановок, использующих ВИЭ в автономных системах электроснабжения, не только за счет совершенствования и разработки новых технических решений оборудования станций, но и за счет обеспечения максимально эффективного режима их эксплуатации.
Автономная система электроснабжения должна обеспечить бесперебойное электроснабжение
Важнейшим фактором энергоэффективности установок, использующих природные возобновляемые ресурсы, является потенциал этих ресурсов, его распределение по сезонам и территориям. Построение кадастра ВИЭ является основой для системного внедрения возобновляемой энергетики в регионе.
Научно-исследовательской работой, направленной на решение проблем децентрализованной энергетики, занимается коллектив кафедры электроснабжения Томского политехнического университета. Результатом его работы является ряд успешно выполненных хоздоговоров и госбюджетных тем. По хозяйственному договору с Центром энергосбережения РАО «ЕЭС России» в 2002 г был разработан энергетический кадастр ВИЭ Томской области: солнца, ветра, малых рек, геотермальной энергии, биомассы. Предложены критерии и методика оценки эффективности применения ВИЭ [1, 2].
При совершенствовании и разработке новых технических решений для оборудования малой энергетики приходится сталкиваться с рядом проблем. С одной стороны, стремление к снижению стоимости установок и невозможность их квалифицированного обслуживания требует максимального упрощения их конструкции. С другой стороны, автономная система электроснабжения должна обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителя качественной энергией в любой момент времени. В связи с этим, в настоящее время существует большое количество схемных решений построения автономных систем электроснабжения, и поиск оптимальных вариантов еще далеко не закончен.
Ретроспективный анализ конструкций микро-ГЭС показывает, что их упрощение осуществлялось, прежде всего, за счет применения нерегулируемых гидротурбин и, соответственно, совершенствования электрической части станций. Наиболее перспективным конструктивным решением гидроэлектрических установок класса «микро», получившим наибольшее распространение, являются бесплотинные конструкции, использующие напорный трубопровод [3]. При постоянных параметрах потока воды и неизменной конфигурации рабочих лопастей частоту вращения гидротурбины можно регулировать путем изменения величины нагрузки. Для микро-ГЭС регулирование частоты энергоустановки наиболее просто осуществляется путем регулирования величины электрической нагрузки генератора. Конструкция турбины и других гидротехнических устройств в этом случае существенно упрощается.
Системы регулирования величины электрической нагрузки хорошо согласуются с машинно-вентильными источниками электропитания. Среди различных машинно-вентильных систем существенными преимуществами обладают системы стабилизации авто балластного типа.
Авто балластные системы стабилизации применимы для любого типа генератора и могут выполняться на основе тиристорных коммутаторов или схем регуляторов с фазовым управлением. Обычно фазовые регуляторы балластной нагрузки проще и дешевле дискретных коммутаторов, но вносят больше искажений в форму фазных токов и напряжений генератора.
Авторами предложено несколько оригинальных вариантов построения машинно-вентильных установок для автономных систем электроснабжения на базе микро-ГЭС и ветроэлектростанций и проведены их комплексные исследования . Практическим воплощением результатов работ в области ВИЭ является серийное производство микро-ГЭС, мощностью 16 кВт, на заводе «Тяжэлектромаш» г. Бишкек с 1988 г. и микро-ГЭС на ряд мощностей до 50 кВт в Болгарии, разработанных Томским политехническим университетом совместно с болгарской фирмой «Промышленная энергетика».
В заключение необходимо отметить важность разработки и реализации нормативно-правовой базы, обеспечивающей приоритетное развитие возобновляемой энергетики. Томская область в этом плане занимает лидирующее положение — Областной Думой в 2000 году принят закон «Об использовании локальных нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Томской области».
Как наиболее предпочтительный вариант комплексного автономного энергоснабжения от ВИЭ целого поселения я мог бы предложить мини-ТЭЦ, работающую на ВИЭ, описанную в патенте РФ № 2643877, 2017. Тепловой аккумулятор этой энергоустановки способен обеспечить бесперебойное энергоснабжение при самых неблагоприятных погодных условиях.