АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Каждый из нас не раз сталкивался с внезапными отключениями электроэнергии, скачками напряжения в сети, выводящими из строя дорогостоящие электроприборы. Альтернативные источники энергии позволят забыть обо всех неприятностях, связанных с перебоями в электроснабжении и, если еще несколько лет назад, из-за высокой стоимости, такие энергосистемы являлись в нашей стране штучным товаром, то прорыв в начале 21 века в технологиях альтернативных возобновляемых источников энергии и, прежде всего, солнечной, значительно повысил доступность систем экологичной энергии. Собственное независимое электроснабжение, без перебоев, шума и загрязнений окружающей среды – вот неполный перечень преимуществ собственных систем, работающих на возобновляемых источниках энергии. Стоимость установки всех «зеленых» систем электроснабжения пока еще довольно высока, но достаточно быстро окупается (в зависимости от местных условий), что послужило одной из причин растущей популярности альтернативных систем энергообеспечения. Разумеется, незнакомые широкому потребителю технологии, отечественное производство, не приспособленное к выпуску компонентов систем достаточного качества и, как следствие, вынужденное использование импортной, более дорогой продукции, тормозят распространение альтернативной, в том числе и солнечной, энергетики в различных регионах России. Как разобраться неспециалисту в новых видах товаров, на какие характеристики обращать внимание? В любом случае необходима консультация профессионалов, обладающих необходимым опытом, которые порекомендуют подходящий именно Вам оптимальный вариант.

Каждый из альтернативных источников энергии (как возобновляемый, так и невозобновляемый) имеет не только преимущества, но и недостатки. У солнечных – высокая стоимость установки, у ветряных – непостоянство ветра, у жидкотопливных (ЖКТ) – стоимость эксплуатации. Поэтому для наибольшей надежности электрообеспечения рекомендуется использовать гибридную систему, объединяющую два, а то и все три вида систем, что позволяет использовать преимущества всех компонентов, полностью нивелируя недостатки.

Солнечные панели в автономных системах электроснабжения обычно применяются для обеспечения сравнительно небольших потребностей в электроэнергии (до 20 кВт), а также в удаленных местах, где отсутствует возможность установки ветрогенераторов. Солнечные панели являются наиболее предпочтительным вариантом в тех случаях, если электроэнергии требуется немного, так как они более надежны в обеспечении энергией, в сравнении с ветроустановками, не нуждаются в установке мачты, да и места занимают меньше и при размещении на крыше практически не видны снаружи, не портят общий вид здания.

Чтобы увеличить общую эффективность автономной системы электроснабжения все чаще используют гибридные системы электроснабжения. Основным источником энергии в гибридной системе является ветряной двигатель и, поскольку он почти в два раза дешевле солнечной панели, устанавливать его имеет смысл, если, конечно, позволяют условия. Набор из фотоэлектрических солнечных панелей является вспомогательным источником энергии, вырабатывающим энергию в периоды длительного «штиля». Введение в состав такой системы дизель-генератора еще более повышает надежность системы, позволяет обезопасить себя от любых капризов погоды. Достаточно распространена практика применения в двухкомпонентной гибридной системе дизель-генератора вместо солнечных панелей, исходя из цены установки. Но, в конечном итоге, такое решение, особенно для маломощных систем неоправдано. Использование солнечных панелей предпочтительней, поскольку они работают постоянно и снижают разрядку аккумуляторов, что продлевает их ресурс.

Такие системы, в состав которых входит и ветрогенератор и солнечная батарея, целесообразно использовать прежде всего потому, что ветер может стихнуть, а солнце бывает почти всегда (Рисунок 1). Для того чтобы фотоэлектрическая система производила электроэнергию, необязательно наличие прямого солнечного излучения, солнечные панели способны улавливать и рассеянный солнечный свет, правда электроэнергии в пасмурную погоду вырабатывается намного меньше.

Рисунок 1. Автономная система электроснабжения, в которую входит ветрогенератор и солнечная батарея

Солнечные панели имеют высокий ресурс, не менее 40 лет, при условии правильной эксплуатации. Даже крупный град, снег и прочие неблагоприятные погодные воздействия не влияют на работоспособность батарей. Минимально необходимое обслуживание – это очистка поверхности панелей от снега и пыли, что увеличивает эффективность улавливания солнечных лучей. Выработку электроэнергии солнечными батареями можно увеличить почти в два раза, если использовать систему слежения за солнцем, т. е. систему, поворачивающую батарею вслед за солнцем в течение всего светового дня.

Гибридные автономные электростанции лучше всего использовать для круглогодичного получения энергии: в зимнее время, когда солнца мало, основная нагрузка приходится на ветроустановку, а в летний период – на солнечные батареи.

Для частного загородного дома обычно применяются гибридные станции с мощностью солнечных батарей от 160 до 1000 Вт и мощностью ветрогенератора 500 или 1000 Вт. Эти гибридные ветросолнечные станции небольшой мощности производит китайский завод Shenshou Wind Driven. Для ветроустановки мощностью менее 500 Вт напряжение на стороне постоянного тока составляет 24В, а для ветроустановок мощностью 1000 Вт – 48 В (Рисунок 2). Подключение к системе солнечных батарей любой мощности осуществляется через контроллер заряда. Ветросолнечные системы позволяют максимально полно использовать альтернативные источники энергии, поскольку комбинация двух источников дает увеличение генерируемой энергии.

Рисунок 2. Ветросолнечная система автономного электроснабжения

Помимо ветрогенератора и солнечных батарей в такую гибридную систему входят аккумуляторные батареи, инвертор и контроллер заряда-разряда. Солнечные панели можно разместить как на крыше дома, так и на специальных стойках в наиболее подходящем месте с максимальной освещенностью. Состав гибридной ветросолнечной системы следующий:

• фотоэлектрическая система, состоящая из солнечных модулей, соединенных параллельно-последовательно, преобразует лучистую энергию Солнца в электрический ток постоянного напряжения. При монтаже важно соблюдать пространственную ориентацию и угол наклона солнечных панелей, обеспечивающих максимальную эффективность системы;
• ветрогенераторы. Турбины ветрогенераторов устанавливаются на вершине специальной мачты (на высоте 11 или 17 м), где ветер имеет максимальную скорость. Служат преобразователями кинетической энергии воздушных потоков в электрическую энергию;
• контроллер преобразует напряжение, поступающее от солнечной батареи и ветрогенератора в адаптированное к аккумуляторной батарее напряжение;
• аккумуляторные батареи состоят из одного или нескольких элементов (блоков), образующих аккумуляторную батарею необходимой емкости и напряжения;
• инвертор, служащий преобразователем постоянного напряжения аккумуляторной батареи в переменное, необходимое для запитывания большинства электронагрузок. Выходная мощность инвертора является выходной мощностью всей ветросолнечной системы;
• нагрузка – это совокупность потребителей электроэнергии, запитываемых, как правило, переменным напряжением инвертора и, при наличии нагрузок постоянного тока, постоянным напряжением аккумуляторной батареи.

Гибридная ветросолнечная система рассчитана на обеспечение энергией потребителей 220 В/50 Гц.

Желательно при достаточной площади участка и отсутствии преград в окружающем рельефе установить автоматическую следящую систему за положением солнца по азимуту.

Ветросолнечная система может применяться как в качестве автономного источника электроэнергии, так и может быть резервной системой электроснабжения. Гибридные ветросолнечные системы рассчитываются согласно данным по потребляемой мощности, а также солнечного и ветрового потенциала региона.

В качестве резервного источника электроснабжения в фотоэлектрическую или ветросолнечную систему может вводиться дизель- или бензогенератор (Рисунок 3). Состав гибридной системы в общем случае будет следующим:

• фотоэлектрическая батарея или ветроэлектрическая станция. Если поблизости есть водопад, плотина или просто речка с быстрым течением, то возможно использование микроГЭС;
• резервный бензо- или дизельгенератор мощностью 3-20 кВт;
• блок бесперебойного питания со встроенным контроллером заряда-разряда АБ;
• АБ;
• электронагрузки.

Рисунок 3 – Солнечная электростанция с резервным источником электроснабжения

ЖТГ (жидкотопливный генератор) может использоваться как резервный источник электроснабжения, когда вырабатываемой мощности не хватает, например в часы пиковой нагрузки, либо в вечернее время. Кроме этого, от ЖТГ можно производить экстренный заряд аккумуляторной батареи, в случае ее разрядки до опасного уровня. Если требуется кратковременно подключить нагрузку большой мощности (стиральную машину, станок) и др., то на это время целесообразно подключить Ваш жидкотопливный генератор и питать нагрузку от него. При этом одновременно происходит подзарядка аккумуляторов. Остальное время нагрузка питается, как обычно, через инвертор от аккумуляторной батареи. Для максимального использования энергии, в случаях включения в систему ЖТГ, возможно помимо электроэнергии получать дополнительное тепло, производимое работой ЖТГ. Для этого на выхлопную трубу устанавливают теплообменник либо предусматривают отбор тепла от охлаждающей ЖТГ жидкости. В этом случае получается, так называемая, когенерационная установка, которая производит не 20-30 процентов энергии (когда вырабатывается только электричество), а 70-90% в совокупности, учитывая использование тепловой энергии, выделяемой при работе ЖТГ. Автономные электростанции, основанные на применении только дизельгенераторов, не рассчитаны на неравномерность потребления, которая бывает максимальной в определенные пиковые часы и минимальна в утреннее время суток. Колебания выдаваемой мощности, регулярные включения-выключения быстро выводят из строя генератор, способствуют уменьшению его ресурса. Работа дизель- или бензогенератора в качестве резервного источника электроснабжения в гибридной системе является оптимальным решением. При наличии ясной погоды или ветра в гибридной системе работает ветросолнечная система, заряжая при этом аккумуляторы либо питая потребителей. Когда системы на возобновляемых источниках (солнечные батареи и ветроустановки) начинают выдавать недостаточное количество мощности, включается дизельгенератор, компенсируя недостаток.

Экономия топлива, уменьшение затрат на его транспортировку, которые увеличиваются с удаленностью от центральных систем энергообеспечения, бесшумность, поскольку дизель-генератор будет включаться лишь в удобное для потребителя время и, конечно, увеличение надежности всей системы электроснабжения – вот основные преимущества применения гибридной системы. Немаловажное значение имеет и экологический фактор: применение фотоэлектрической системы либо ветрогенератора или ветросолнечной установки даже в дополнение к существующей системе на традиционных видах топлива внесет свой вклад в экологическую чистоту вашей энергосистемы.

Приведем примеры типовых гибридных систем автономного электроснабжения.

1. «Малый гибридный» 2,6 кВт

Эта ветросолнечная система предназначена для работы осветительных приборов, электробытовых приборов, ЖК телевизора, телефонов, зарядных устройств, ноутбука и других потребителей средней мощности. Мощность ветрогенератора составляет 2 кВт, а солнечных панелей – 585 Вт. В месяц такая система производит около 600 кВт.ч. электроэнергии, что вполне обеспечивает нужды небольшой семьи. Ветросолнечная система «Малый гибридный» является наиболее оптимальным вариантом в соотношении цена-качество. В случае безветренной погоды, электроэнергия вырабатывается лишь параллельно работающими солнечными панелями, которые производят электроэнергию независимо от ветра. При этом также уменьшается глубина разрядки аккумуляторов, что способствует продлению срока их службы. Комплектация системы следующая:

• солнечная панель FG-195 – 3 шт;
• комплект ветрогенератора HFWH-2 с гибридным контроллером;
•  аккумуляторы 12V200AH – 8 шт.

2. «Стандартный гибридный» 5+1,5 кВт

Подобная стандартная ветросолнечная система наиболее востребована среди владельцев загородных домов и коттеджей. Состоит из ветрогенератора мощностью 5 кВт и солнечных панелей суммарной мощностью 1,5 кВт. Вырабатывает не менее 1500 кВт.ч. в месяц, что позволяет обеспечить потребности в электроэнергии практически любой семьи. Основная комплектация системы:

• солнечная панель FG-250 – 5 шт;
• комплект ветрогенератора HFWH-5 с гибридным контроллером;
• аккумуляторы 12V200AH – 20 шт.

3. «Большой гибридный» 10+3 кВт

Эта большая ветросолнечная система обеспечит потребности в электричестве любого по размеру коттеджа. Состоит из ветрогенератора мощностью 10 кВт и солнечных панелей общей мощностью 3 кВт. Вырабатывает не менее 3000 кВт.ч. в месяц, что позволяет обеспечить электричеством 5 средних по составу семей или небольшое производственное предприятие.

Комплектация:

• солнечная панель FG-250 - 12 шт.;
• комплект ветрогенератора HFWH-10 с гибридным контроллером ;
• аккумуляторы 12V200AH - 32 шт.

4. «Большой гибридный-2» 20+6кВт

Состоит из ветрогенератора мощностью 20 кВт и солнечных панелей суммарной мощностью 6 кВт. Вырабатывает не менее 6000 кВт.ч. в месяц, что вполне достаточно для обеспечения электроэнергией 10 средних по составу семей или небольшого промышленного предприятия.

Основная комплектация системы:

• солнечная панель FG-250 - 12 шт;
• комплект ветрогенератора HFWH-20 с гибридным контроллером;
• аккумуляторы 12V200AH - 32 шт.

Список литературы:

1. Кирюшатов А.И Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве. М.: - Агропромиздат, 1991. – 96 с.
2. Никитенко Г.В., Коноплев Е.В. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения. – Ставрополь: АГРУС, 2008. – 152 с.
3. Никитенко Г.В., Коноплев Е.В., Коноплев П.В. Обоснование структуры системы автономного электроснабжения // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве  (Ставрополь, 10—15 марта 2011 г.). – Ставрополь, 2011. - С.137–143.
4. Никитенко Г.В., Коноплев Е.В., Коноплев П.В. Ветроэнергетическая установка  // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве  (Ставрополь, 10—15 марта 2011 г.). – Ставрополь, 2011. - С.143–145.
5. Никитенко Г.В., Коноплев Е.В., Коноплев П.В. Электроснабжение потребителей с использованием автономной ветроэнергетической установки // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве  (Ставрополь, 19—23 апреля 2010 г.). – Ставрополь, 2010. - С.165–167.
6. Никитенко Г.В., Коноплев Е.В., Коноплев П.В. Режимы работы систем автономного электроснабжения потребителей // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве  (Ставрополь, 19—23 апреля 2010 г.). – Ставрополь, 2010. - С.167–171.
7. Степанова В.Э. Возобновляемые источники энергии на сельскохозяйственных предприятиях. М.: -  Агропромиздат, 1989. -  112с.
8. Усаковский В.М. Возобновляющиеся источники энергии. М.: - Россельмашиздат, 1986. – 126 с.