Альтернативная энергетика

13.10.2010

Перспективы развития ветрофотоэнергетических комплексов на базе вихревой ветроэнергетической установки и современных фотоэнергосистем

Потребление энергии в России на сегодняшний день составляет около 1 млрд. тонн условного топлива (ТУТ) в год, из них невозобновляемые источники составляют 97,9 % (нефть, газ и пр.), при переработке которых образуются окислы вредных веществ (NOx, CO, СН), нанося невосполнимый ущерб окружающей среде. Более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа в электричеству.

В настоящее время по данным Минпромэнерго около 20 млн. граждан России живут без электрообеспечения. Создание для этих граждан необходимых цивилизованных условий является важнейшей государственной задачей. Одно из наиболее оптимальных решений - использование автономных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии

Исследования, проведенные в рамках международных и Российских программ энергосбережения и ресурсосбережения, показывают, что потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии может покрыть всю потребность энергоснабжения страны. Так технический потенциал нетрадиционной энергетики составляет:

ветроэнергетика - 2,0 млрд. ТУТ в год;

фото (солнечная) энергетика - 2,3 млрд. ТУТ в год;

малая гидроэнергетика - 125 млн. ТУТ в год;

низкопотенциальное тепло - 105 млн. ТУТ в год;

В условиях экологических и топливных проблем восполняемые источники энергии начинают приобретать приоритетное значение. Для решения проблем энергоснабжения и энергосбережения правительство России постановлением №80 от 24 января 1998 года утвердило Федеральную целевую программу "Энергосбережение России" на 1998-2005 годы и с 2006 года предусматривается ее дальнейшее развитие. Одним из основных требований этой программы является замена жидкого органического топлива и каменного угля на альтернативные источники энергии. А наиболее оптимальным решением является использование автономных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии.

Так как наиболее дешевыми и доступными энергетическими ресурсами являются ветер и солнце, то основной упор необходимо сделать на создании энергетических комплексов на основе ветроэнергетических установок с использованием фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии (ВФЭУ).

1. Фотоэнергетика

Среди нетрадиционных возобновляемых источников энергии, фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии является наиболее подготовленным для широкого использования, которое сдерживается относительно высокой стоимостью солнечных батарей. Несмотря на это мировой рынок солнечных фотоэлектрических систем растет в среднем на 30% в год с 2000 г. Это намного больше, чем для любой другой отрасли промышленности. Данный сектор стал сейчас существенным экономическим фактором. Объем рынка в 2020 г. превысит 50000 МВт (пик.), т.е. за 20 лет объем рынка увеличится в 140 раз (в 2000 г. было продано приблизительно 280 МВт (пик.)).

Согласно прогнозам Всемирного Банка мировой объем рынка солнечных фотоэнергосистем превысит 100 миллиардов USD в 2007 г. При этом, солнечная фотоэнергетика будет иметь значительный рост рынка не только за счет высокоразвитых стран, но также за счет развивающихся.

В России огромным потенциальным потребителем фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять десятки мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем (ФЭС) в год. Если к этому добавить уже нарождающийся рынок автономных энергосистем для навигационного обеспечения, систем телекоммуникаций, автономных систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, коттеджей, уличных солнечных фонарей и т.д., которые в свою очередь могут вырасти до нескольких мегаватт в год, то суммарно потребности в России могут вырасти до 50-100 МВт/год к 2010 году.

Сегодня рынок фотоэнергетики - это вполне сложившийся, быстроразвивающийся сегмент мирового рынка, причем с возрастающим темпом роста. Это обусловлено, во-первых, практической направленностью национальных программ высокоразвитых стран: 100 тысяч солнечных крыш в Германии, 70 тысяч солнечных крыш в Японии, 1 млн. солнечных крыш в США, выделение 3 млрд. € Европейским содружеством на практические реализации энергосистем до 2010 года. К тому же Германия и Япония уже начинают ставить вопрос о миллионе солнечных крыш, т.е. темп роста опережает самые оптимистические прогнозы, сделанные в прошлые годы. Только с 1999 г по 2000 г, включительно, рынок Германии вырос с 17 до 42 МВт. Япония и Германия прогнозируют в ближайшие годы выход на годовые объемы до 500 МВт каждая. Эти фантастические темпы и являются характерными для развития рынка фотоэнергетики по различным регионам мира.

Недавний прогноз Европейской Комиссии по темпам роста рынка солнечных фотоэнергосистем был существенно превзойден.

2. Ветроэнергетика

В течение последних лет рост установленной мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире составил около 30% к предыдущему году. Динамика развития за последние двадцать лет такова. В 1985 году общая установленная мощность ВЭУ составила -1,1 ГВт, в 1990 году - 2,0 ГВт, 1995 году - 4,9 ГВт, 2000 году - 17,8 ГВт, в 2002 году -31,1 ГВт. Страны-лидеры по установленной мощности ВЭУ и их доля в мировой энергетике на уровне 2002 года характеризуется следующими данными:

Германия - 12 ГВт или 36,8%

Испания - 4,8 ГВт или 15,4%

США - 4,7 ГВт или 15,1 %

Дания - 2,9 ГВт или 9,3%

Индия - 1,7 ГВт или 5,5%

По данным Американской Ассоциации Энергии Ветра, стоимость строительства ветровой электростанции сегодня дошла до $1 млн. на 1 МВт - это примерно столько же, сколько стоит 1 МВт на АЭС. По эффективности денежных вложений дешевле ВЭС только электростанции на газе ($600 тыс. на 1МВт). Но надо учесть, что за газ нужно платить, а за ветер - нет. И нет проблем с отработанным ядерным топливом (или угольным шлаком). За последний двадцать лет мировая стоимость ветровой энергии сократилась с 40 до 5 центов за киловатт и приблизилась к мировым ценам на электричество, добытое традиционным путём.

Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) - принципиально новое нетрадиционное направление в ветроэнергетике. В основе ВВЭУ - «генератор вихря» - устройство, преобразующее равномерный поток ветра в вихреобразные струи, являющийся концентратором мощности, организующим и аккумулирующим энергию ветра и низкопотенциальных воздушных тепловых потоков, аналогично тому, как в природных условиях кинетическая энергия ветра, распределенная в значительном объеме потока, концентрируется до огромных величин в компактном ядре природного смерча.

Изобретение относится к ветрофотоэнергетике, а более конкретно касается создания энергетического комплекса, состоящего из ветродвигателя, осуществляющего преобразование энергии воздушного потока и солнечных батарей с преобразователями светового потока и светопоглощающими плоскостями, осуществляющих преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию. При создании ветрофотоэнергетической установки, предлагаемое изобретение основывалось на использовании "вихревого эффекта", который впервые был открыт Ж.Ж.Ранком и применен в промышленности в 30-е годы нашего столетия Меркуловым А.П.

"Вихревой эффект", или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные - нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в вихревой трубе за счет вязкости и теплопроводности спирально двигающегося газового потока.

В настоящее время разработаны различные конструкции ветроустановок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта.

Предлагаемое устройство ВВЭУ направлено на решение технической задачи, связанной со снижением потерь энергии закрученного воздушного потока по всей высоте вытяжного цилиндра и с возможностью увеличения площадей воздухозаборных устройств за счет модульного их размещения по высоте - для более полного использования энергии воздушного потока. ВВЭУ таким образом обеспечивает эффективное преобразование энергии ветра (в том числе и малых ветров) и термоиндуцированных восходящих струй воздуха в электрическую энергию.

Способность вихревых струй концентрировать в своем стволе энергию, рассеянную в окружающем пространстве, использовать низкопотенциальные потоки, движущиеся в атмосфере и акваториях со скоростью от 2 - 5 м/с, позволяет существенно расширить утилизацию тепловых потоков, сбрасываемых во внешнюю среду промышленными предприятиями, и возможности преобразования гелиоэнергии в виде термоиндуцированных восходящих струй воздуха, энергии слабых ветров.

По прогнозам ИНЭИ РАН в рамках реализации «Энергетической стратегии России до 2020 года» потребность энергетического рынка в ветроэлектростанциях составит около 80-100 МВт в год, что определяет емкость этого рынка не менее 1.500.000 тыс. руб. (1,5 млрд. руб.) в год.

А если учесть то обстоятельство, что вся средняя полоса России расположена в умеренной «ветровой зоне» со среднегодовыми скоростями ветра около 4-5 м/сек, где проживает около 90% потенциальных потребителей, то у новой разработки ветроэнергетических установок большая перспектива развития. Следовательно, учитывая последние события на энергетическом рынке (увеличение тарифов, увеличение цен на первичные энергоресурсы), рынок сбыта для ветроэнергетических установок существенно возрастает.

З.Гибридная ветрофотоэнергетическая установка

Очевидно, что развитие использования возобновляемых источников энергии примет ускоренный характер при объединении вихревой ветроэнергетической установки и фотоэнергосистем. Применение такого оборудования дает более эффективное и существенное снижение, как начальных капиталовложений на единицу мощности, так и эксплуатационных затрат. А использование комплексного оборудования обеспечивает более стабильное, устойчивое обеспечение электроэнергией.

Идея проекта состоит в том, что объединив две системы, будет создана такая ветрофотоэнергетическая установка, которая будет обеспечивать увеличение мощности и эффективности ее работы в любых природных и географических условиях.

Поставленная задача решена и подтверждена патентом автора. Установка содержит лопастную ветровую турбину с особыми направляющими внутри вытяжного цилиндра («генератор вихря») с вертикальной осью вращения, расположенной внутри воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата, накопитель энергии и блок управления: ВВЭУ, солнечные элементы, ветронаправляющие

http://www.energosovet.ru/stat/rspp_4.files/image008.jpg

Рис. 2 Схематичное изображение установки

Благодаря такому решению увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемый установкой, и ее работа становится стабильной при постоянно меняющейся силе ветра и количестве солнечного света.

Для России ветрофотоэнергетические установки имеют особое значение, поскольку, они решают энергетические проблемы потребителей, находящихся в зоне децентрализованного энергоснабжения, такие как удаленные объекты специального назначения, объекты на границе, маяки, полярные и метеостанции в труднодоступных районах, малые сельскохозяйственные объекты, объекты индивидуального использования - садовые, дачные кооперативы, дома-коттеджи, яхты и т.д. Даже в условиях рыночной экономики подвод электроэнергии - установку трансформатора, прокладку высоковольтных и низковольтных линий электропередачи (ЛЭП) не всегда предоставляется возможным, а порой стоимость этих работ выходит за разумные пределы.

Ресурсы для возобновляемых источников энергии имеются практически во всех регионах страны. Особенно они эффективны в регионах, характеризующихся постоянными ветрами или высоким количеством солнечных дней. При этом максимальные значения скорости ветра наблюдаются в осенне-зимне-весенний период, когда поступление солнечной энергии уменьшается. В летнее же время отсутствие ветра вполне компенсируется поступлением солнечной энергии.

К примеру, для средней полосы России 65-75% солнечной энергии поступает в весенне-летнее время. Таким образом, если объект расположен на открытом возвышенном месте с достаточными ветроэнергоресурсами, то использование ветрофотоэнергетических установок даст возможность получать электроэнергию круглый год: зимой больше за счет энергии ветра, а летом - энергии солнца. Количество солнечных модулей и мощность ветроустановки определяется величиной электроэнергии, необходимой для конкретного объекта.

Для накопления энергии необходимо использовать современные аккумулирующие устройства, в том числе и мощные быстродействующие сверхпроводящие индуктивные накопители энергии. Ветрофотоэнергетические установки подключаются к аккумуляторам не напрямую, а через специальный блок управления. Система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на плоскостях ветронаправляющих элементов, контроллера разряда - заряда аккумулятора, блока управления, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное).

Солнечные элементы могут быть использованы на базе монокремния, аморфного кремния, и очень перспективны - гетероструктурные.

Гетероструктурные солнечные элементы на основе соединений А В : GaAs, GaSb и твердых растворов на их основе: AlGaAs, GalnP, GalnAs обеспечивают, в настоящее время наивысшую эффективность преобразования солнечного излучения. Важным преимуществом солнечных элементов на основе соединений А3В5 является их способность эффективно преобразовывать более, чем 500-кратно концентрированное солнечное излучение, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов (арсенида галлия, антимонида галлия и др.) пропорционально степени концентрирования солнечного излучения и, следовательно, снизить себестоимость солнечных энергоустановок до 1.5 $ за 1 Вт установленной мощности.

Каскадные фотопреобразователи на основе соединений А3ВЭ обеспечивают существенное увеличение КПД - до значений более 35%. Это, наряду с постоянным в течение светового дня слежением за солнцем, обеспечивает увеличение в 2.5-3 раза удельного (на единицу площади батарей) количества электроэнергии, вырабатываемой установками с концентраторами солнечного излучения на основе высокоэффективных каскадных ФЭП по сравнению с обычными (не концентраторными) кремниевыми батареями без слежения за Солнцем.

Исследования в области фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения наиболее широко проводятся в США и России. КПД разработанных в США концентраторных элементов на основе монокремния достигает 20% при 10-150-кратном концентрировании солнечного излучения и рабочей температуре 25°С. Недостатком этих СЭ является сильная температурная зависимость КПД, приводящая к снижению эффективности на 1/3 при повышении температуры на 100°С. Поэтому кремниевые СЭ могут эффективно работать при степени концентрирования не более 50 крат.

Для высокоэффективного преобразования 500-1000 кратно-концентрированного солнечного излучения более перспективными являются солнечные элементы на основе широкозонных соединений, в первую очередь, на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия. Предельные значения КПД в СЭ на основе этого материала, достигнутые только в США и России (ФТИ им. А.Ф.Иоффе), составляют 28-30% для 500-1000 кратно концентрированного солнечного излучения в СЭ с одним р-n переходом и более 35% в каскадных СЭ. Причем эти значения КПД, в отличие от кремниевых СЭ, измерены при реальных рабочих температурах 60-80 С. Таким образом, в этом наиболее перспективном направлении результаты, полученные в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, находятся на уровне лучших мировых образцов. Вследствие работы при высокой степени концентрации для получения одинаковой мощности арсенида галлия требуется значительно меньше, чем кремния. Поэтому, несмотря на более высокую стоимость арсенида галлия, цены на концентраторные СФЭУ с СЭ из арсенида галлия будут приблизительно в два раза ниже.

Само производство ветрофотоэнергетических установок может базироваться на относительно небольших  площадях. Сборка установок планируется из комплектующих, производимых и поставляемых предприятиями-партнерами, заинтересованными в создании в России производства экологически чистых источников энергии на основе прямого преобразования ветровой и солнечной энергии в электрическую.

4. Динамика рынка и потенциальная потребность в ветрофотоэнергетических установках

Как уже отмечалось, по прогнозам ИНЭИ РАН в рамках реализации «нергетической стратегии России до 2020 года» потребность Российского энергетического рынка в ветрофотоэнергетических установках составит около 80-100 МВт в год, что определяет емкость этого рынка не менее 1.500.000 тыс. руб. (1,5 млрд. руб.) в год.

На сегодняшний день в соответствии с «Перечнем программных мероприятий в области нетрадиционной энергетики на 2002-2005 годы» (Раздел 1.1 «Энергия ветра») потребность в ветроэлектростанциях на первом этапе составляет:

№№

Регион

Потребность, МВт

Кол-во объектов

Заказчик

1

Амурская область

2,19

460

Администрация области

2

Волгоградская обл.

0,2

9

Администрации районов

 

Краснодарский край

5,0

1

ОАО «Кубаньэнерго»

4

Красноярский край

0.1

1

Администрация района

5

Магаданская область

0,86

7

ОАО «Магаданэнерго»

6

Мурманская область

0,24

6

Администрация области

7

Орловская область

0,3

1

Администрация области

8

Республика Карелия

0,15

3

ОАО «Карелэнерго»

9

Республика «САХА»

4,25

13

Администрация респ.

10

Саратовская область

2,54

10

ОАО «Саратовэнерго»

11

Свердловская обл.

1,14

10

Администрация области

12

Таймырский АО

4,5

9

Администрация Округа

13

Хабаровский край

25

14

Администрация Края

14

Ямало-Ненецкий АО

6,31

45

Администрация Округа

ВСЕГО

52,68

588

 

Емкость только этого рынка (первый этап - создание демонстрационных зон) составит около 1.348 млн. рублей.

Даже если для 5% от этого числа (1 млн. граждан) будет использована ветрофотоэнергетика (~1ГВтч/сутки, т.е. на каждого гражданина ~1КВт-ч/сутки) необходимо будет установить 300МВт пиковой мощности ветрофотоэнергосистем.

И если к этому добавить уже естественно нарождающийся рынок автономных энергосистем для навигационного обеспечения, систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, коттеджей, уличных солнечных фонарей и т.д., потребности которых могут вырасти до нескольких мегаватт в год, то суммарно потребности в России могут вырасти до 30-40МВт/год к 2010 году.

Есть еще потребности, Юго-Восточной Азии, Австралии, Америки, Европы, где емкость этого сегмента рынка оценивается около 1 млрд. USD. Как видно из предыдущего раздела, нарождающийся российский рынок возобновляемых источников энергии пока еще не в состоянии потреблять годовые уровни порядка 10МВт, но потенциал мирового рынка очень высок. Поэтому целесообразность реализации настоящего проекта не вызывает сомнений.

Сегодня на рынке присутствуют сотни фирм, создающих различные энергосистемы, но только десятки производят солнечные модули и лишь единицы делают комплексы, сочетая классические лопастные ветряки и солнечные элементы. В связи с возрастающей потребностью в возобновляемых источниках энергии, уменьшении запасов традиционного углеводородного сырья резко возрастает востребованость в ветрофотоустановках, что в конечном итоге и создает уверенность в долгосрочной устойчивости развития ветрофотокомплексов.

В плане действий G8, принятом в Санкт-Петербурге в 2006 году, отмечается поддержка «...более широкого использования возобновляемых и альтернативных источников энергии», как одного из важнейших путей развития мировой энергетики. Таким образом, ветрофотоэнергетика за ближайшее десятилетие должна превратиться в отрасль промышленности, конкурентоспособную практически со всеми видами энергоисточников.

Отрывок из брошюры «Энергоэффективность. Выгоды от энергосбережения в промышленности и ЖКХ: аудит, модернизация и НИОКР»

Зазимко В.И. («Валтарс Риск Менеджмент»)