Текст книги "Возобновляемые источники электроснабжения"

Василий Сташко
Возобновляемые источники электроснабжения: Учебно-методическое пособие для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (квалификация (степень) «бакалавр») всех форм обучения

Издание сертифицировано (№ 20016) и рекомендовано к использованию «Межрегиональным центром электронных образовательных ресурсов» – http://mceor.ru/

Утверждено на заседании

Методической школы им. О. И. Хомутова

Протокол № 2 от 2 марта 2020 г.

Рецензент: д.т.н., профессор

А. А. Багаев (АлтГАУ)

© Сташко Василий Иванович, 2020

1. Цели и задачи освоения дисциплины «Возобновляемые источники электроснабжения»

Дисциплина «Возобновляемые источники электроснабжения» предполагает ознакомление с возобновляемым источникам энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, гидроэнергия больших и малых водотоков, а так же энергия биомассы. Наибольшее внимание при изучении данной дисциплины уделяется наиболее доступному, и динамично развивающемуся в настоящее время возобновляемому источнику энергии (ВИЭ) – энергии солнечного излучения.

При изучении дисциплины «Возобновляемые источники электроснабжения» закладываются основы и общие представление об альтернативных источниках энергии, которые в дальнейшем будут необходимы для формирования теоретического мышления при практической реализации систем электроснабжения с использованием ВИЭ.

Дисциплина «Возобновляемые источники электроснабжения» изучает методы, средства и организационные меры с целью обеспечения надежной и эффективной работы систем электроснабжения на основе использования ВИЭ. Целью курса является подготовка специалистов в области энергосбережения и повышения энергоэффективности производства, эффективной эксплуатации электрооборудования и систем электроснабжения.

Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине «Возобновляемые источники электроснабжения», соотнесенных с индикаторами достижения компетенций, представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Результаты обучения и индикаторы достижения компетенций

В процессе изучения дисциплины «Возобновляемые источники электроснабжения» ставятся и решаются следующие основные задачи:

– студенты получают знаниями о характеристиках и особенностях возобновляемых источников энергии, о современных методах их использования, основных проблемах и перспективах развития возобновляемой энергетики;

– студенты осваивают методы построения и расчёта систем электроснабжения на основе использования ВИЭ для разработки и внедрения необходимых изменений в условиях реального производства с точки зрения повышения его энергоэффективности, экономической целесообразности и решения вопросов энергосбережения;

– у студентов формируется понимание основных тенденций и направлений в совершенствовании систем электроснабжения на основе использования возобновляемых энергоресурсов в отечественной и зарубежной практике, а также развиваются способности объективно оценивать характеристики доступных ВИЭ.

Изучение дисциплины проводится с применением средств современных образовательных технологий, с использованием ресурсов Интернет, а также ЭОС АлтГТУ ILIAS.

2. Содержание теоретического и практического курсов

2.1 Содержание курса лекций

Курс «Возобновляемые источники электроснабжения» состоит из шести основных разделов. Лекционная часть для студентов очного обучения составляет 12 часов, для заочного – 6 часов. Для практических занятий у студентов очной формы обучения отводится 24 часа, у заочной – 6 часов. Кроме того, для студентов заочной формы обучения предусмотрено выполнение контрольной работы.

Общее содержание дисциплины для очной и заочной форм обучения, представлено в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Содержание дисциплины для очной формы обучения

Таблица 2.2

Содержание дисциплины для заочной формы обучения

ТЕМА 1. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. Основные понятия, термины и определения. Традиционные и нетрадиционные источники энергии. Энергетические переходы. Структура мирового энергопотребления. Динамика роста энергопотребления в мире и в России. Особенности топливно-энергетического баланса Алтайского края.

ТЕМА 2. Солнечная энергетика. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии. Уровень инсоляции в зависимости от географических координат. Промышленное и хозяйственное использование солнечной энергии для получения тепла. Типы солнечных систем для выработки электроэнергии. Классификация солнечных электростанций (СЭС). Технико– экономические показатели СЭС.

ТЕМА 3. Использование энергии ветра, воды и биомассы. Потенциал энергии ветра. Ветровой кадастр России. Общие характеристики и типы ветроэнергетических установок (ВЭУ). Энергия малых рек и работа водяного потока. Схемы концентрации напора. Идеальная и реальная мощность гидротурбин. Энергия биомассы. Энергия биомассы, фотосинтез, биотопливо. Классификация процессов производства биотоплива. Биоэнергетические установки и комплексы.

ТЕМА 4. Накопители энергии. Специфические проблемы аккумулирования и передачи энергии от ВИЭ. Электрохимические аккумуляторы. Электрические, механические и гравитационные накопители энергии. Гидроаккумулирующие электростанции. Топливные элементы. Химическое аккумулирование с помощью водорода и аммиака.

ТЕМА 5. Распределённая энергетика на основе ВИЭ. Технологии энерджинет. Принципы построения «умных» сетей Smart Grid. Системы микрогенерации и автономного электроснабжения. Использование ВИЭ в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов, сельских населённых пунктов и удалённых от энергосистемы объектов.

ТЕМА 6. Водород – возобновляемый источник электроснабжения. Перспективы водородной энергетики в мире и в России. Технологии промышленного производства водорода. Инфраструктура для транспортировки и хранения водорода. Конверсия тепловых электростанций с угля на водород. Перспективы водородной энергетики в Алтайском крае.

2.2 Содержание курса практических занятий

ЗАНЯТИЕ 1. Расчет мощности солнечного излучения. Солнечное излучение в космосе и на Земли. Мощность солнечной радиации. Тепловой баланс и энергетические потоки в атмосфере и на поверхности Земли. Расчет интенсивность излучения у земной поверхности в зависимости от географических координат.

ЗАНЯТИЕ 2. Расчет основных параметров фотоэлектрических систем. Использование энергии солнца для получения электрической энергии. Мощность и вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечных элементов. Точка максимальной мощности и КПД солнечных панелей.

ЗАНЯТИЕ 3. Ветроэнергетика. Ветроэнергетические ресурсы. Основные характеристики ветроэнергетического кадастра. Расчет ветроэнергетического кадастра. Удельная мощность и энергия ветрового потока. Разработка структурной схемы ветроэнергетической установки.

ЗАНЯТИЕ 4. Малая гидроэнергетика. Энергетика потоков воды. Расчет водноэнергетического кадастра водотока. Расчет потенциала водного потока для малой энергетики. Параметры гидротурбины и водяного колеса. Электроэнергия из сточных вод.

ЗАНЯТИЕ 5. Расчет основных параметров солнечной электростанции. Выбор типа солнечной электростанции (СЭС). Автономные, сетевые и гибридные СЭС. Расчет параметров СЭС для электроснабжения различных производственных процессов и систем уличного освещения. Расчет параметров СЭС объектов микрогенерации.

ЗАНЯТИЕ 6. Расчет основных параметров накопителей энергии. Основные типы и характеристики аккумуляторов. Технологии изготовления аккумуляторов. Расчет числа и емкости аккумуляторных батарей для систем электроснабжения на основе использования ВИЭ. Расчет параметров источников бесперебойного питания (ИБП). Гибридные накопители энергии и накопители на основе ионисторов (суперконденсаторов).

2.3 Задание на контрольную работу

В процессе изучения курса «Возобновляемые источники электроснабжения», студенты заочной формы обучения, в течении семестра выполняют контрольную работу. Задание на контрольную работу выдается преподавателем каждому студенту индивидуально, в начале семестра. Выбор темы контрольной работы зависит от конкретной профессиональной деятельности студента, уровня его теоретической подготовки и квалификации.

Задание на контрольную работу может быть согласовано с темой будущей выпускной квалификационной работой.

3. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

3.1 Классификация источников энергии

Согласно подготовленного институтом энергетических исследований РАН совместно с Московской школой управления «Сколково» доклада «Прогноз развития энергетики мира и России 2019», фундаментальные изменения в мировой энергетической системе стали более динамичными, что связано с двумя основными факторами:

1. Бурный рост технологических инноваций в энергетике;

2. Изменение приоритетов государств в области энергетической политики.

Технологии развиваются по экспоненте, и по некоторым прогнозам, уже к 2040–2050 гг. может наступить технологическая сингулярность, т. е. такой момент, когда технологическое развитие станет неуправляемым и необратимым.

Говоря о бурном росте технологических инноваций в энергетике, необходимо понимать, что инновации – это всего лишь новшества, востребованные рынком. Т. е., инновационная продукция или услуги хорошо продаются, так как обеспечивают повышение эффективности каких-либо процессов, улучшение качество продукции, и т. д.

Второй фактор – изменение государственных приоритетов в области энергетической политики, является более серьезным, так как затрагивает глобальные процессы, происходящие в настоящее время в мире. Рассмотрим их подробнее.

С точки зрения потребителей, все энергетические ресурсы можно разделить на две группы – первичные и вторичные энергетические ресурсы.

На рисунке 3.1 первичные и вторичные источники энергии представлены так, как они представляются потребителями, т. е., это просто источники энергии. На самом же деле, вторичные источники энергии получают из первичных, путем их искусственного преобразования.

Первичные источники энергии также разделяются на две группы, на возобновляемые (ВИЭ), и невозобновляемые источники энергии.

К невозобновляемым источникам энергии относятся: органическое, ядерное и термоядерное топливо. К возобновляемым источникам энергии относятся: энергия солнца, воды и ветра, геотермальная энергия и энергия биомассы.

Если рассматривать природу возобновляемых и невозобновляемых источников энергии, то выясняется, что она у них, в основном общая. Солнечная энергия с аккумулировалась в виде твердого (уголь 300–400 млн лет), ядерного и термоядерного топлива. С жидким и газообразным топливом всё гораздо сложнее, так как существуют несколько теорий их происхождения. Но, основная всё же – это биогенная или органическая, где главная роль в образовании жидкого и газообразного топлива также принадлежит Солнцу.

Возобновляемые источники энергии, такие как энергия воды и ветра – всё это результат действия энергии Солнца. Соответственно, вполне логично предположить, что именно солнечная энергия является главным и наиболее доступным источником энергии.

Рисунок 3.1

Первичные и вторичные источники энергии

Таким образом можно предположить, что все происходящие сегодня в мировой энергетике изменения, связаны исключительно с изменениями в потреблении первичных энергоресурсов.

3.2 Первичное энергопотребление в мире

В соответствии с основными прогнозными показателями (рисунок 3.2) в настоящее время наблюдается достаточно существенный разброс экспертных оценок. Очевидно, что спрос на первичные энергоресурсы при существующих тенденциях развития будет падать, и до 2040 г. вырастет не более, чем на 420 млн т н. э. (OPEC) – 900 млн т н. э. (BP) по сравнению с уровнем потребления 2017 года (14 000 млн т н. э.).

В 2000 г. энергопотребление (по всем видам топлива) было на уровне 10 000 млн т н. э., и за прошедшие 20 лет (данных за 2019 г. пока нет), оно возросло на 5–6 тыс. млн т н. э. А последующие 20 лет, по самым оптимистичным прогнозам, рост первичного энергопотребления составит максимум 0,5 тыс. млн т н. э.

Прогноз IRENA – Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, согласно которому энергопотребление к 2040 г. снизится на 100 млн т н. э., кардинально меняет картину прогноза, по сравнению со всеми предыдущими прогнозами, которые были сделаны до 2019 года. Поэтому, складывающаяся ситуация создает огромную неопределённость, и при определённых обстоятельствах (политическая, экономическая нестабильность, и др.) может вызвать реальную угрозу энергобезопасности государства.

Рисунок 3.2

Первичное энергопотребление в мире к 2040 г. млн т н. э.

Потребление вторичных источников энергии (электроэнергия и водород), в мире остается стабильным на протяжении последних 30 лет, за исключением некоторых регионов, Азии, Африки и Ближнего Востока.

3.3 Потребление электрической энергии в мире

Сценарный прогноз потребления электроэнергии по регионам миfа в ТВт·ч представлен на рисунке 3.3. Основная часть роста потребления электроэнергии приходится на Азию – это около 80 %, причем доля Китая в этом объеме составляет почти 60 %. В США потребление электроэнергии снизилось в 2017 г. на 1 %, но, в 2018 г. рост продолжился (2,2 %), в основном, за счет жилого сектора. В Европе электропотребление в 2018 г. оставалось стабильным, лишь немного снизилось в Германии и во Франции.

В России, так же, как и в Канаде, Бразилии, Африке, Ближнем Востоке (Иран), и др. странах потребление электроэнергии способствовал экономический рост (промышленный спрос).

Для определения возможных тенденций развития энергетики, в данном случае был использован так называемый метод сценарного прогнозирования. Это достаточно распространенная практика в последнее время, так как сценарный метод прогнозирования позволяет сформировать и сценарий принятия решений. А это, в свою очередь, позволяет определять критические ситуации и возможные последствия, и, в конечном счете, выбрать наиболее эффективный путь решения проблем, которые могут возникнуть в будущем.

Рисунок 3.3

Прогноз потребления электроэнергии в мире (ТВт·ч)

3.4 Энергетические переходы

Энергетический переход (прогнозный сценарий Энергоперехода) предполагает ускорение НТП и фокусировку энергополитики всех стран мира на декарбонизации.

Основное отличие сценария Энергоперехода от других сценариев заключается в том, что в данном сценарии приоритет всегда будет за безуглеродными, в крайнем случае, низкоуглеродными технологиями.

Само понятие «Энергопереход» – это достаточно распространенный в последнее время термин, который требует дополнительного пояснения.

Впервые термин «энергетический переход» был предложен Вацловом Смилом в книге «Энергетические переходы: история, требования, перспективы» (Energy Transitions: History, Requirements, Prospects) (рисунок 3.4). Он использовал этот термин «для описания изменения структуры первичного энергопотребления и постепенного перехода от существующей схемы энергообеспечения к новому состоянию энергетической системы».

Рисунок 3.4

В. Смил, «Энергетические переходы: История, Требования, Перспективы» (2010), «Энергетические переходы: глобальные и национальные перспективы (второе расширенное и обновленное издание)» (2016)

Текущий, четвертый Энергопереход – это очередное фундаментальное преобразование мирового энергетического сектора. Динамика мирового энергопотребления по видам топлива с 1860 по 2040 годы, представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 5

Динамика мирового энергопотребления по видам топлива

Каждый последующий энергетический переход – это результат коренных изменений в технологиях, которые позволяют существенно изменить структуру первичного энергопотребления. С количественной точки зрения Энергопереход можно определить, как 10 % сокращение доли рынка определенного энергоресурса за 10 лет.

Первый энергетический переход происходил от биомассы к углю, в ходе него доля угля в общем объеме потребления первичной энергии с 1840 по 1900 гг. увеличилась с 5 % до 50 %. Уголь стал основным источником энергии индустриального мира;

Второй энергетический переход связан с распространением нефти – ее доля выросла с 3 % в 1915 г. до 45 % к 1975 г. Наиболее интенсивный период переключения с угля на нефть пришелся на годы после Второй мировой войны. Начался «век моторов» и доминирования нефти, который завершился в конце 1970-х гг. нефтяным кризисом;

Третий энергетический переход привел к широкому использованию природного газа (его доля выросла с 3 % в 1930 г. до 23 % в 2017 г.) за счет частичного вытеснения как угля, так и нефти.

Но, количественные показатели касаются 1, 2, и 3 энергопереходов. Каковы же причины того, что в настоящее время начался четвертый энергетический переход? Всё дело в том, что четвертый энергетический переход обуславливается не одной конкретной технологической революцией, а целой массой технологических прорывов, из которых, можно выделить 7 основных:

1. Повышение эффективности в энергетике;

2. Электрификация;

3. Удешевление производства электроэнергии и тепла на основе ВИЭ;

4. Технологии накопления и хранения энергии

5. Водородная энергетика

6. Цифровые системы в электроэнергетике

7. Децентрализация.

3.5 Динамика энергопотребления в России

Динамика энергопотребления в России представлена в Приказе Минэнерго России от 30.06.2020 № 508 «Об утверждении схемы и программы развития Единой энергетической системы России на 2020–2026 годы».

Ссылка: https://minenergo.gov.ru/system/download-pdf/19166/126217

3.6 Особенности топливно-энергетического баланса Алтайского края

Состояние и перспективы развития электроэнергетики Алтайского края представлены в официальном документе: Об утверждении схемы и программы «Развитие электроэнергетики Алтайского края» на 2020–2024 годы (с изменениями на 29 апреля 2020 года)

Ссылка: http://docs.cntd.ru/document/553274198

4. Солнечная энергетика

4.1 Использование энергии солнца для получения электрической энергии

Солнечная энергия преобразуется в энергию электрическую с помощью солнечных фотоэлектрических установок, действие которых основано на явлении фотоэффекта. Солнечные элементы (СЭ) или фотоэлементы, служат для пространственного преобразования зарядов и создания ЭДС в полупроводниковом переходе. Современные фотоэлементы практически полностью основаны на кремнии. Наиболее распространены кристаллические фотоэлементы. Они обычно имеют синий цвет с отблеском. Аморфные и некристаллические имеют гладкий вид и в зависимости от угла зрения меняют цвет. Монокристаллический кремний имеет лучшие характеристики, чем поликристаллический, но дороже его. Аморфный кремний обладает значительно худшими характеристиками и применяется в основном в небольших несиловых приборах (часы, калькуляторы).

Мощность солнечных элементов, как правило, небольшая, и составляет в среднем 0,7–0,75 Вт. Для получения большей мощности СЭ соединяют между собой последовательно, образуя солнечные модули (СМ), которые далее могут собираться в солнечную батарею (СБ). Необходимо учитывать, что при последовательном соединении элементов неизбежны потери мощности. Коэффициент η_ΔР, учитывающий эти потери принимается в расчетах равным 0,95 – 0,99. Коэффициент, определяющий потери энергии при передаче ее к потребителю (потери в инверторе, зарядном устройстве и др.) составляет η_ΔЭ = 0,9.

Форма солнечных элементов может быть прямоугольной, квадратной, а также псевдоквадратной или псевдокруглой. Форма определяет коэффициент заполнения площадки солнечного модуля. Для прямоугольных и квадратных и псевдоквадратных СЭ этот коэффициент равен К_зап = 0,95–0,99; для круглых К_зап=0,85.

КПД преобразования солнечных лучей в электрическую энергию зависит от материала солнечного элемента, его многослойности и температуры окружающей среды. Для однослойных кремниевых монокристаллических СЭ η_К составляет 10–15 %, для поликристаллических СЭ η_К = 8–12 %, для аморфного кремния η_К = 6–8 %.

Температура окружающей среды определяется периодом года. Для различных природно-климатических условий она может иметь разные значения, например для марта и октября +5 °C, для апреля, сентября +10 °C, мая +15 °C, июня, июля, августа +20 °C.

Мощность СЭ может быть определена из вольт-амперной характеристики (ВАХ). ВАХ солнечного элемента, (модуля, батареи) – это зависимость между током нагрузки и напряжением на клеммах солнечного фотоэлектрического элемента при постоянных значениях температуры солнечных элементов и интенсивности поступающего солнечного излучения (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1

Вольт-амперная характеристика солнечного фотоэлемента

На ВАХ солнечного элемента можно выделить две характерные точки:

1. Точка холостого хода, когда напряжение максимальное, равное напряжению холостого хода (U=U_max=U_x.x.). При этом ток равен I=0;

2. Точка короткого замыкания (U=0; I=I_max=I_{к. з}).