Глава 2. Современные технологии возобновляемых источников энергии

2.1 Анализ перспективных технологий возобновляемых источников энергии

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям возможностей альтернативных источников энергии. Исчерпываемые природные ресурсы в скором времени не смогут обеспечить энергией человечество, так как их запасы приходят в кризисное состояние. Поэтому человечество должно переходить на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – в первую очередь на солнечную энергетику. Солнечная энергия — возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии, который используется как для получения тепловой, так и электрической энергии. Солнечная энергетика является относительно новым способом производства электроэнергии. Основным достоинством этой энергии является экономичность и экологичность процесса его производства, что, в конечном счете, дает более высокий эффект, чем традиционные способы получения энергии.

Человечество с древних времен начало использовать энергию солнца для нагрева, получения огня. Спустя тысячелетия, построив паровую машину, человек теплоту преобразовал в механическую энергию. Наконец в век электричества механическую энергию стали превращать в электрическую. Первыми искусственными аккумуляторами солнечной энергии стали различные устройства для нагревания воды. Потом пошли в ход зеркала, концентрирующие отраженные лучи Солнца, и появилась возможность не только запасать солнечное тепло в нагретой воде, но и превращать его в электричество.

Начало фотовольтаики положено открытием Э. Беккереля (1839г), опытами А. Столетова (1888г) и теорией Эйнштейна. Фотовольтаика активно исследовалась в первую очередь в космических державах СССР и США.

В СССР еще в 30-х годах 20 века проводились исследования в Ленинградском ФТИ АН СССР под руководством А. Ф. Иоффе. В результате этих исследований были созданы солнечные элементы (СЭ) на основе кристаллов кремния, установленные, в частности, на 3-м искусственном спутнике Земли (1958 год). В 1984 году государственной премией была удостоена группа Ж. Алферова за создание новых структур СЭ. Коэффициент полезного действия этих структур составлял 30%.

По мнению Ж.Алферова при затратах на создание солнечных электростанций (СЭС) равных 15% от затрат на создание АЭС, СЭС покрыли бы объем производства энергии на существующих АЭС. Началу применения солнечной энергии в крупных масштабах дали толчок нефтяные кризисы 1973 – 1979 годов. В 1983 г. были построены опытные СЭС с паровой турбиной в США (10 МВт), Франции (2.5МВт), Испании (1.0МВт), менее мощные построены в Японии и Италии.

В СССР первая СЭС такого типа была построена в Крыму в 1985 году. Она имела 5 МВт, проработала до развала СССР. В то время суммарная мощность СЭС зарубежных стран составляла 21МВт. В СССР существовал так же проект солнечно-топливной электростанции (СТЭС) в Узбекистане (320МВт).

Начиная с 90-х годов прошлого века развитие солнечной энергетики в нашей стране приостановилось в силу известных негативных социально- экономичных процессов, происходивших в нашей стране. В этот период продолжалось интенсивное развитие солнечной энергетики в других странах. Быстрыми темпами развивалась фотовольтаика.

В настоящее время доля нашей страны в общем объеме производства энергии на СЭС составляет менее 1%. Суммарная мощность зарубежных СЭС к 2016 году достигла 210 ГВт. Наибольший объем энергии производится в Германии (44,6 ГВт), затем следует Китай (29,3 ГВт), Италия (26,3 ГВт), Япония (15,9 ГВт), США (14,7 ГВт), Испания (6,6 ГВт), Франция (8 ГВт) и т.д. По прогнозам доля электроэнергии производимой на СЭС в ближайшие десятилетия будет нарастать на 25-30% ежегодно (Рис. 8.).

Рисунок 8 - Динамика мирового производства электроэнергии на СЭС

К 2016 году в России имеется 10 предприятий по производству солнечных элементов (СЭ). Годовое производство по мощности СЭ составляет 160 МВт. Они производят, СЭ на основе поли – и монокристаллического кремния. В число этих предприятий входят предприятия Краснодара, Москвы, Рязани и др. В 2014 году в городе Новочебоксарске введён в производство завод «Хевел», который занимается изготовлением тонкопленочных фотоэлектрических панелей.

Первая в России СЭС на основе кремниевой кристаллической СЭ построена в 2010 году в Белогородской области с выработкой электроэнергии 133 МВт*ч в год.

В 2010-2013 годах построены четыре СЭС в Крыму с общей мощностью более 200 МВт. В 2014 году построена СЭС в городе Каспийск мощностью 5 МВт. Совсем недавно закончилось строительство СЭС в Оренбургской области мощностью 25 МВт и в Республике Хакасия мощностью 5,2 МВт. Крупнейшая СЭС строится в Хунзахском районе Дагестана, мощность, которой должна будет достигать 45 МВт. Планируется ввод в эксплуатацию в 2016 году 2-й очереди Бурибаевской СЭС на основе фотовольтаики (10 МВт).

В ближайшее время, имеются проекты построения СЭС в Челябинской и Херсонской областях, на основе СЭ завода «Хевел» и проекты по строительству СЭС к 2020 году на Алтае, в Сибири и Ставрополье и др. К 2020 году планируется довести долю солнечной электроэнергетики в России до 5% по отношению к объему всей электроэнергетики. Следует отметить, что по условиям постановления №449, правительство имеет довольно амбициозные планы, так к 2018 году планируется ввести порядка 850 МВт (Таблица 1) мощностей на основе СЭС. К 2020 году общая доля солнечной электроэнергетики в России по отношению к объему всей электроэнергетики составит 5%.

Таблица 1 - Ввод мощностей по годам

Год ввода	2014	2015	2016	2017	2018	Итого
Объем мощности, МВт	35,2	140	195	255	230	849,5

Вывод. Таким образом, в 90-х годах прошлого столетия наша страна уступив передовые позиции в области солнечной энергетики, в последние годы активизирует деятельность в этой перспективной области науки и техники. Условия развития для этой отрасли в России имеются. Есть научный потенциал и опыт эксплуатации СЭС, имеются большие по площади территории, где инсоляция достаточно высока. Такими регионами являются Северный Кавказ, Краснодарский край, Юг Сибири, Дальний Восток, Центральные районы и др. Особенно востребованы СЭС в тех регионах, где до настоящего времени отсутствует централизованное электроснабжение. Общая численность населения таких регионов составляет около 10 миллионов человек.

Поиски и внедрение новых, нетрадиционных источников энергии – одна из главных мировых проблем ХХI тысячелетия, которая обусловлена локальными истощениями природных ресурсов, возможной перспективой энергетического кризиса и негативным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду. Так, например, республика Башкортостан располагает широким набором нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые в определенных условиях могут составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам, либо будут выгодно их дополнять, принося ощутимый экономический эффект. К таким направлениям альтернативной энергетики, которые развиваются здесь, относятся ветровая и солнечная энергетики, работающие на ВИЭ.

Перемещение больших масс воздуха – ветер несёт колоссальное количество энергии: почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории России определены в 10,7 ГВт.

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов.

В тоже время существуют и недостатки ветроэлектроустановок (ВЭУ), которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника – непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) ко времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Ветровой режим (среднегодовая скорость ветра) в различных зонах страны неодинаков.

Солнечная энергетика – одна из самых чистых и экологических способов получения электроэнергии. Она также является одним из успешно развивающихся направлений «зелёной энергетики» в Башкортостане. Это подтверждается тем, что в мае 2014 года Правительство Республики Башкортостан подписало соглашение о сотрудничестве в строительстве солнечных электростанций с компаниями «Хевел» и «Авелар Солар Технолоджи». На данный момент начато строительство пяти электростанций, которые имеют общую мощность почти 40 МВт и будут введены в эксплуатацию в середине 2018 г. В том же году планируется ввод трех солнечных электростанций суммарной мощностью 24 МВт (Исянгуловская — 9 МВт, Бугульчанская (вторая очередь) — 5 МВт и Бурибаевская — 10 МВт) в Зианчуринском, Куюргазинском и Хайбуллинском районах [7, c. 45].

Солнечная радиация – это перспективный, доступный и неисчерпаемый источник энергии, особенно полезен в наше время постоянного роста цен на традиционные способы получения энергии.

Но у солнечной энергетики есть и минусы, важнейший из которых – это зависимость от погодных и климатических условий. Именно этот фактор главным образом влияет на место размещения солнечных электрических установок (СЭУ).

Таким образом, эффективность использования ветровой и солнечной энергии напрямую зависит от местных условий климата. Поэтому проблема рационального размещения ВЭУ и СЭУ на территории РФ для получения более дешёвой электроэнергии играет важнейшую роль при оценке перспективности развития данных направлений альтернативной энергетики в Республике Башкортостан.

Для решения данной проблемы необходимо выполнить задачи по накоплению и анализу статистических данных работы ВЭУ и СЭУ в различных климатических условиях, индивидуальных для каждого региона РФ.

Накопление таких данных относительно СЭУ в нашей стране осуществляется с помощью тестовых фотоэлектрических систем для мониторинга тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей (ТФЭС). Данные системы направлены на определение величины солнечной инсоляции, осуществляет сбор, хранение и передачу через сеть Интернет следующих данных, как характеристика модулей, температура окружающей среды, поверхности модуля, уровень солнечной радиации, скорость и направление ветра и т.д. Подобная система используется и в Башкортостане в целях исследования эффективности солнечных батарей, которое проводит студенческое конструкторское бюро СКБ-3: измерительный комплекс для системы мониторинга ТФЭС размещен на крыше 8-го корпуса уфимского государственного авиационного университета (УГАТУ).

Для решения второй задачи авторами был произведён анализ данных, полученных с помощью подобных измерительных комплексов, используемых для следующих ТФЭС:

- Астрахань АГУ;

- Владивосток;

- Горно-Алтайск ГАГУ;

- Махачкала ИФ ДНЦ РАН;

- Санкт-Петербург ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН;

- Уфа УГАТУ.

После этого было сделано сравнение ТФЭС по значениям относительных мощностей Рмах/Рном, где Рмах - максимальная активная мощность, вырабатываемая ТФЭС за сутки, Рном− номинальная мощность ТФЭС.

При этом, чтобы нивелировать влияние погодных условий, различных для мест размещения каждого солнечной панели в разное время, были выявлены дни, в которых погода была приблизительно одинаковой. Для характеристики погоды учитывались следующие параметры: температура окружающего воздуха, длительность светового дня и облачность.

Результаты сравнительного анализа сведены в таблицы (табл. 2 – 5). Показатели Рмах/Рном определены отдельно для микроморфного и кристаллического модулей.

Таблица 2 – Сравнение ТФЭС по показателю Рмах/Рном (зима)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфный модуль	Санкт-Петербург	Уфа	Махачкала	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск
	0,91	0,88	0,77	0,68	0,67	0,64
кристаллический модуль	Санкт-Петербург	Уфа	Владивосток	Махачкала	Астрахань	Горно-Алтайск
	1,03	0,99	0,90	0,90	0,81	0,77

Таблица 3 – Сравнение ТФЭС по показателю Рмах/Рном (весна)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфный модуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Астрахань	Санкт-Петербург	Владивосток	Уфа
	1,13	1,06	1,07	0,91	0,84	0,84
кристаллический модуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Астрахань	Владивосток	Санкт-Петербург	Уфа
	1,33	1,24	1,19	1,09	1,03	1,0

Таблица 4 – Сравнение ТФЭС по показателю Рмах/Рном (лето)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфный модуль	Владивосток	Уфа	Астрахань	Махачкала	Горно-Алтайск	Санкт-Петербург
	1,73	0,95	0,92	0,90	0,86	0,84
кристаллический модуль	Владивосток	Махачкала	Санкт-Петербург	Горно-Алтайск	Астрахань	Уфа
	1,07	0,98	0,98	0,96	0,94	0,62

Таблица 5 – Сравнение ТФЭС по показателю Рмах/Рном (осень)

место	1	2	3	4	5	6
микроморфный модуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Уфа	Владивосток	Санкт-Петербург	Астрахань
	1,18	0,94	0,91	0,87	0,8	0,8
кристаллический модуль	Махачкала	Горно-Алтайск	Владивосток	Санкт-Петербург	Астрахань	Уфа
	1,27	1,04	1	0,89	0,86	0,62

Рисунок 9 – Сравнение эффективности работы СЭУ с микроморфным модулем в течение года

Рисунок 10 – Сравнение эффективности работы СЭУ с кристаллическим модулем в течение года

Из рисунка 9 видно, что СЭУ с микроморфным модулем, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно высокую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах: зимой и летом по показателю Рмах/Рном она занимает 2 место, осенью- 3-е и весной 3-е из 6.

Из рисунка 10 видно, что СЭУ с кристаллическим модулем, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно низкую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах: по показателю Рмах/Рном зимой она занимает 2 место, весной, летом и осенью – 6-е из 6.

Далее сравним данные регионы по ветровому потенциалу. Для этого используем также статистические данные ТФЭС, в данном случае – это средняя скорость ветра.

Рассчитаем мощность, которая может быть выработана горизонтально-осевой ВЭУ на примере Уфы.

Площадь, ометаемая ветроколесом равна:

м², (1)

где D – диаметр ветроколеса, м. Здесь принята равной 2 м. Определим мощность, вырабатываемую ветроустановкой:

, Вт, (2)

где ρ – плотность воздуха, равная 1,23 кг/м³; v – скорость ветра, м/с; ξ – коэффициент использования энергии ветра; η – коэффициент, учитывающий потери при передаче мощности от вала ветроколеса до рабочей машины (К.П.Д. ВЭУ), который определяется:

ηп = ηр * ηг, (3)

где ηр – К.П.Д. редуктора (механический К.П.Д. ηр =0,9); ηг – К.П.Д. генератора (ηг=0,9)

Для остальных районов потенциального размещения ВЭУ расчёты аналогичны. Полученные результаты заносим в таблицы 6-9.

Таблица 6 – Потенциальные мощности ВЭУ (зима)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скорость ветра, м/с	4	4	1	2	2	1
Мощность ветроустановки, Вт	25,04	25,04	1,56	6,26	6,26	1,56

Таблица 7 – Потенциальные мощности ВЭУ (весна)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скорость ветра, м/с	5	3	5	3	4	4
Мощность ветроустановки, Вт	39,12	14,08	39,12	14,08	25,04	25,04

Таблица 8 – Потенциальные мощности ВЭУ (лето)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скорость ветра, м/с	1	1	2	3	1	2
Мощность ветроустановки, Вт	1,56	1,56	6,26	14,08	1,56	6,26

Таблица 9 – Потенциальные мощности ВЭУ (осень)

	Астрахань	Владивосток	Горно-Алтайск	Махачкала	Санкт-Петербург	Уфа
Скорость ветра, м/с	1	2	2	1	1	1
Мощность ветроустановки, Вт	1,56	6,26	6,26	1,56	1,56	1,56

Составим сравнительную диаграмму для анализа расчётов (рисунок 11)

Рисунок 11 – Сравнение эффективности работы ВЭУ в течение года

Из диаграммы видно, что ВЭУ, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно низкую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах. зимой -6 –е Весной . летом и осенью -3- место по мощности ВЭУ она занимает 2 место, осенью- 3-е и лишь весной 3-е.

Таким образом, использование солнечной энергии на территории Республики Башкортостан, с точки зрения климатических ресурсов, является энергетически выгодным, при этом наиболее перспективное направление в данном регионе, на основе полученных данных – использование микроморфных модулей. В течение большей части года сохраняется высокая эффективность работы СЭУ, по которой Башкортостан уступает лишь двум регионам из 6 (Горно-Алтайск и Махачкала или Санкт-Петербург). Это позволит добиться высоких показателей удельной выработки электроэнергии солнечных электростанций и повысить энергонезависимость региона без ущерба для экологии.

Исследование также показало, что использование ветровой энергии на территории Республики Башкортостан нерентабельно. В течение большей части года эффективность работы ВУЭ остаётся сравнительно низкой и лишь весной достигается наибольшая теоретическая мощность ВЭУ, равная 25 кВт, что превосходит аналогичную выходную мощность ВЭУ в Махачкале.