Ветроэнергетические установки (ВЭУ) представляют собой устройства, которые преобразуют кинетическую энергию движения воздушных масс в кинетическую энергию вращения вала турбины, а затем — с помощью генератора — в электрическую энергию. Вследствие того, что скорость ветра является быстро изменяющейся величиной, выходная мощность ветроустановки не совпадает с мощностью нагрузки потребителя, поэтому в состав ветроэлектростанции входит дополнительное оборудование для перераспределения вырабатываемой энергии во времени. Вспомогательное оборудование включает в себя выпрямитель, зарядное устройство, аккумуляторные батареи и инвертор. Принципиальная схема ВЭУ представлена на рис. 1.Человек начал использовать ветер уже очень давно. Ветряные мельницы — хороший тому пример, а с открытием электричества этот источник энергии сразу встал на службу человеку. Но почему же тогда мы до сих пор используем уголь? Все очень просто — уголь на электростанцию мы можем привезти из карьера, а вот с ветром подобного уже не получится. Он либо есть, либо его нет. Причем на территории Российской Федерации в большинстве мест ветра не бывает. Применение ветроустановок для получения электроэнергии экономически оправдано только в регионах, где среднегодовая скорость ветра превышает 4,5 м/с. В настоящее время метеоинформация общедоступна, но вот многолетние ряды наблюдений, необходимые для расчета потенциала использования ветра, являются труднодоступными данными. Поэтому для определения валового потенциала ветровой энергии обычно пользуются атласом ветров СССР или другой справочной информацией. Конечно, скорость ветра может меняться, и существенно, даже в пределах небольшой территории. Она зависит от многих факторов, в том числе от рельефа, растительности, застройки. Поэтому перед тем, как установить ветровую электростанцию, желательно провести предварительные исследования с помощью анемометра в течение как минимум года. Производители ветроустановок во всем мире указывают в паспортных данных установленную мощность ветроагрегата. Но 10киловаттный «ветряк» не решит проблемы электроснабжения дома, если не будет достаточного ветра. Ведь установленная мощность — это мощность, которую генератор выдает на выходе при скорости ветра, равной или больше номинальной (rated speed), которая обычно составляет 9–12 м/с.При таком ветре на улице становится крайне некомфортно. И, скорее всего, за весь период эксплуатации (а он составляет более 20 лет) ветроустановка разовьет установленную мощность лишь несколько раз! Поэтому при выборе оборудования для электроснабжения дома нужно руководствоваться не паспортной установленной мощностью, а расчетной среднесуточной выработкой ветроагрегата, которая зависит от скорости ветра. Ветроустановки бывают с горизонтальным и с вертикальным расположением оси вращения ветроколеса. Последние, впрочем, распространены мало и развиваются медленнее горизонтальных. Обычно на ветроколесо устанавливается три лопасти. Имеет место следующая зависимость: ветроагрегаты, у которых больше лопастей, хотя и начинают вращаться при меньшей скорости ветра, но гораздо хуже работают при более сильном ветре. Да и скорость вращения вала турбины у них невелика, что приводит к необходимости устанавливать электрогенераторы больших размеров, либо использовать дорогостоящие мультипликаторы. Меньшее же количество лопастей отрицательно скажется на шумовых характеристиках и КПД установки. Мировой опыт показывает, что для производства электроэнергии наиболее эффективны трехлопастные ветроустановки. Солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) представляют собой устройства, преобразующие энергию солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время на рынке представлены фотоэлектрические установки нескольких видов: 1. фотоэлементы на основе аморфного кремния — такие фотоэлементы, как правило, просты в изготовлении и поэтому отличаются невысокой стоимостью, но их КПД не превышает 9 %; 2. фотоэлементы на основе поликристаллического кремния — наиболее распространенный тип фотоэлементов, характеризуются средним КПД (до 12 %) и средней стоимостью; 3. фотоэлементы на основе монокристаллического кремния — эти батареи имеют самый высокий КПД из серийно выпускаемых (14 %), при этом они очень дороги; 4. тонкопленочные фотоэлементы — это особый вид фотоэлектрических преобразователей, в основе производства которых лежит не кремний, а сплав меди, индия, галлия и селена (CIGS). Технология производства панелей с такими фотоэлементами до сих пор активно развивается, но пока их КПД довольно низок (около 8 %).Как можно видеть, КПД серийно выпускаемых фотоэлектрических установок не превышает 15 %. В характеристиках солнечных модулей производители указывают установленную мощность панели (иногда ее также называют пиковой). Это значение имеет довольно мало общего с реальной жизнью, т.к. получено оно в лабораторных условиях при излучении в 1 кВт/м2. На территории России, конечно же, мест с такой освещенностью нет. В лучшем случае средняя за день мощность излучения летом в Краснодарском крае составляет 0,7 кВт/м2. Поэтому при выборе количества фотоэлектрических модулей нужно принимать во внимание солнечное излучение в рассматриваемой местности. Как правило, максимум энергопотребления на бытовые нужды приходится на зимний период, а величина солнечного излучения в этот период, наоборот, находится на минимальной отметке. По этой причине полностью удовлетворить потребности дома за счет солнечных батарей, к сожалению, не удастся, т.к. перераспределить полученную от них энергию мы можем максимум в течение 2–3 дней. А установка большого числа солнечных батарей, энергия которых в летний период будет избыточной, экономически не оправдана.Нагрузочная характеристика фотоэлектрического модуля представлена на рис. 2. Из этой характеристики видно, что для получения максимальной мощности требуется, чтобы ток нагрузки, подключаемой к клеммам, соответствовал точке максимальной мощности (ТММ). Для этого СФЭУ оборудуются специальными устройствами — контроллерами заряда аккумуляторных батарей, выполняющими две основные функции: поддержание параметров сети, необходимых для заряда аккумуляторных батарей, и регулирование тока нагрузки фотоэлементов для достижения максимальной выходной мощности. Аккумуляторные батареи служат также для обеспечения питания нагрузки в период, когда солнечное излучение отсутствует. Для питания нагрузки переменного тока в схему СФЭУ включен инвертор. Принципиальная схема СФЭУ представлена на рис. 3.Как видно из схем (см. рис. 1 и 3), некоторые элементы электрической схемы установок являются идентичными и могут применяться в составе ветросолнечного энергетического комплекса. При этом в период снижения потока солнечного излучения (зимой) наблюдается увеличение среднемесячных скоростей ветра, и наоборот (см. рис. 4). Таким образом, ветросолнечный комплекс может обеспечить круглогодичное вытеснение мощности в локальной энергосистеме. Расставим точки над «i» Основными параметрами, имеющими большое значение для потребителя электроэнергии, являются мощность и энергия. Мощность (кВт) характеризуется количеством одновременно включенных электроприборов. Заметим, что наличие у вас в доме стиральной машинки (750 Вт), СВЧпечи (1,2 кВт — эта мощность отличается от «мощности микроволн», которая обычно указывается в характеристиках), холодильника (150 Вт), пылесоса (1,8 кВт), утюга (2 кВт), электроинструментов и электрочайника (1 кВт) не означает, что эти устройства постоянно работают все вместе (6,9 кВт). Уровень потребляемой мощности будет определять мощность инвертора, устанавливаемого в систему. А значит, приучив себя не включать одновременно утюг, пылесос, чайник и СВЧпечь, можно будет обойтись инвертором гораздо меньшей мощности. Как показывает практика, доля стоимости инвертора обратно пропорциональна мощности системы. То есть для малых энергетических комплексов она будет составлять до половины стоимости оборудования. Обратите внимание, что инверторы, предоставляющие на выходе «модифицированную синусоиду», не подходят для питания электрических двигателей, а значит, холодильник и стиральная машина работать не будут. Поэтому выбирать нужно инверторы с «чистой синусоидой». Многие электроприборы изначально предназначены для работы на постоянном токе и используют выпрямитель (блок питания, зарядное устройство) для преобразования энергии из сети переменного тока. Часть электроприборов, в т.ч. освещение, можно перевести на питание от сети постоянного тока, устранив этим потери в преобразователях, достигающие порой 20 %.Количество потребляемой электроэнергии (кВтч) показывает ваш электросчетчик. Потребность дома (фермерского хозяйства) в электроэнергии будет определять количество фотоэлектрических панелей и ветроустановок, необходимое вашей системе энергоснабжения. В разных регионах удельные значения мощности солнечного излучения и ветрового потока могут отличаться в разы. Так, на 1 м2 поверхности в г. Сочи будет приходить 1500 кВтч/год, а на широте Москвы — всего лишь 1150 кВтч/год. Аналогичная ситуация и с ветроустановками: один и тот же «ветряк» с установленной мощностью 5 кВт на побережье Черного моря будет давать 17 тыс. кВтч/год, а в Калужской области — менее 10 тыс. кВтч/год. Ветреность не зря является синонимом непостоянства. Никто и никогда не сможет гарантировать вам наличие ветра, достаточного для работы ветроустановки на номинальной мощности (обычно около 9–12 м/с). Да и полный штиль нигде не редкость. Поэтому для того, чтобы потребители не остались без электроэнергии в самый неподходящий момент, в систему электроснабжения на основе ВИЭ вводятся аккумуляторные батареи. Это ваша подушка безопасности, страховочный фал — называйте как угодно, но именно за счет накопления энергии в аккумуляторах и будет проявляться ваша энергетическая независимость как от ЕЭС, так и от капризов природы. Количество аккумуляторных батарей, необходимых в системе, определяется исходя из суточного энергопотребления и количества дней штиля и/или пасмурной погоды, на которую вы рассчитываете. Сейчас в России представлено множество аккумуляторных батарей различных производителей. Для включения в состав собственной энергосистемы наиболее подходят необслуживаемые аккумуляторы AGM, гелевые аккумуляторы или специализированные аккумуляторы, поддерживающие множество циклов заряда-разряда. Будьте предельно внимательны: стартерные батареи для этих целей не подходят, т.к. они не рассчитаны на частые циклы зарядаразряда. Как показывает практика, при отсутствии энергии от солнца (например, в пасмурную погоду) ветер набирает силу, и, наоборот, в солнечную погоду ветер стихает. Таким образом, солнечные и ветровые электростанции хорошо дополняют друг друга. Стоимость возобновляемых источников энергии нередко является проблемой при их приобретении, но есть ли какая-нибудь альтернатива? Конечно, можно заплатить деньги, сравнимые со стоимостью ветросолнечного комплекса, за подключение к электросети, но потом придется платить за каждый киловатт-час, да и мощность электроприборов придется ограничить. Поставить собственный дизель? Да, дешевле, но «прогорите» на стоимости дизельного топлива. Компромиссом в этом случае является установка комплекса дизельВИЭ (ветродизельный комплекс). В таком комплексе можно обойтись меньшей мощностью ветроустановки и/или солнечных панелей и снизить количество аккумуляторных батарей (хватит запаса на один день). При этом дизель-генератор будет включаться на несколько часов в сутки только для подзарядки батарей, когда с этим не будут справляться фотоэлектрические панели и ветроустановка. Экономия дизельного топлива в таких системах может достигать 70 %, кроме того, за счет меньшего количества пусков увеличивается срок службы дизельгенератора. Еще одной перспективной областью применения являются системы уличного освещения на возобновляемых источниках энергии. Такие установки просты в эксплуатации и не требуют подведения линий электропередач, а значит, могут быть установлены в любом месте. В этих осветительных приборах используются лампы на основе светодиодов (LED), т.к. они обладают наибольшим КПД по свету, неприхотливы в эксплуатации и не требуют установки дорогостоящего инвертора. Время делать выбор От теории перейдем к практике. Для того чтобы собрать свою собственную энергосистему, вам понадобится: 1. информация — определите ваши потребности и соизмерьте их со своими возможностями (использование экономичных электроприборов гораздо дешевле установки дополнительных генераторов); 2. природные данные — оцените потенциал использования ВИЭ в вашей местности; 3. генераторы — мощность и количество установок следует выбирать исходя из суточной потребности в электроэнергии (кВтч, в соответствие с мощностью источников энергии выбирается контроллер заряда для будущей батареи аккумуляторов); 4. инвертор — сердце энергосистемы, его следует выбирать исходя из мощности одновременно включаемых электроприборов; 5. аккумуляторные батареи — ваш гарантированный источник энергии на случай отсутствия солнца и ветра (емкость определяется исходя из суточного энергопотребления и предполагаемого количества безветренных пасмурных дней — как правило, ограничиваются запасом на 3 дня). 6. дизельгенератор — установка дополнительного генератора в систему обеспечит вам абсолютную стабильность электроснабжения (мощность его выбирается в зависимости от суточного энергопотребления).Стоит сразу оговориться, что отапливать помещение и греть воду с помощью возобновляемых источников электрической энергии — слишком расточительно, если учитывать ее стоимость. Для подобных целей лучше использовать солнечные тепловые коллекторы, напрямую преобразующие солнечную энергию в тепловую. Не стоит экономить на инверторе и контроллере заряда, ведь ценой некачественного инвертора будут ваши электроприборы, а дешевый контроллер заряда испортит ваши аккумуляторные батареи. Итоги В сложившейся в современной России ситуации, когда стоимость электроэнергии, получаемой от ЕЭС, мала (менее 3 руб/кВтч), использование возобновляемых источников энергии не является заменой централизованного электроснабжения. Высокая стоимость киловатта установленной мощности для фотоэлектрических и ветровых электростанций сужает область их применения. Системы электроснабжения на основе ВИЭ могут быть интересны автономным электропотребителям, подключение которых к электросети либо невозможно, либо сопряжено с техническими или финансовыми трудностями. Также в круг потенциальных пользователей возобновляемых источников энергии входят фермерские хозяйства, для которых остро стоит проблема электроснабжения удаленных потребителей, либо развитию мешают ограничения потребляемой мощности, накладываемые местным поставщиком электроэнергии согласно договору подключения. Рассмотренные случаи предполагают установку ВИЭ установленной мощностью от 1 до 50 кВт, при этом количество и состав оборудования будет определяться энергопотреблением объекта и величиной ветровых и солнечных ресурсов в месте установки. Несмотря на то, что европейские страны пошли по пути укрупнения ветроустановок, в России на данный момент большим спросом будут пользоваться установки с незначительной установленной мощностью (до 20 кВт), т.к. они более просты в монтаже и эксплуатации. В настоящее время российское законодательство разрешает подключение собственных генерирующих установок к ЕЭС. Однако при этом оно обязывает соблюдать технологические требования местного поставщика электроэнергии, которые, как правило, невозможно выполнить без содействия местных органов власти (именно так было в Мурманской, Калининградской и Ленинградской областях). Для конечного потребителя это означает, что излишки электроэнергии, получаемой от ВИЭ, невозможно продать в энергосистему. Если вы произведете энергии больше, чем сможете потребить, то останетесь в убытке. Поэтому важно доверить подбор оборудования профессионалам.