CC BY
45ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 23.01.13. Ред. рег. № 1526 The article has entered in publishing office 23.01.13. Ed. reg. No. 1526
УДК: 620.91
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РЕСПУБЛИКЕ САХА (ЯКУТИЯ)
А.С. Семёнов, В.С. Шипулин, Е.И. Рушкин, П.В. Саввинов, Р.Е. Еремеева
Политехнический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, ул. Тихонова 5/1, г. Мирный, Республика Саха (Якутия), 678170, Россия, тел./факс: (411-36)352-38, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов 04.02.13 Заключение совета экспертов 11.02.13 Принято к публикации 18.02.13
В статье приведены теоретические и практические исследования по перспективам применения возобновляемых ресурсов электрической энергии в условиях Крайнего Севера, в частности в Республике Саха (Якутия). Рассмотрены потенциалы энергии ветра, солнечной энергетики, использование биомассы и энергии малых рек. Показано практическое применение ветрогенераторов, биоустановок и низконапорных микро-ГЭС в условиях Якутии. Представлены карты альтернативных энергоресурсов на территории России и обусловлена целесообразная возможность применения и перспективы использования возобновляемых источников энергии на территории Республики Саха (Якутия).
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, энергия ветра, солнечная энергия, биомасса, энергия малых рек, ветрогенераторная установка, солнечные панели, биоустановка, микро-ГЭС, энергоснабжение отдаленных районов, Республика Саха (Якутия).
PROSPECTS OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES IN REPUBLIC OF SAKHA (YAKUTIA)
A.S. Semenov, V.S. Shipulin, E.I. Rushkin, P.V. Savvinov, R.E. Eremeeva
M.K.Ammosov Polytechnic Institute (branch) of North-Eastern Federal University, 5/1 Tikhonova St., Mirny, Sakha, 678170, Russia Tel./fax: (411-36)352-38, e-mail: [email protected]
Referred 04.02.13 Expertise 11.02.13 Accepted 18.02.13
The article presents theoretical and empirical research on the prospects of renewable resources of electric power application in the Far North, in particular in the Republic of Sakha (Yakutia). Potentials of wind energy, solar energy, biomass energy and energy of small rivers are considered. The paper shows practical application of wind turbines, bio systems and low pressure micro-hydro power stations in Yakutia. Maps of alternative energy resources in Russia and are presented, possibility of purposeful application and prospects of renewable energy sources in the Republic of Sakha (Yakutia) is stipulated.
Keywords: renewable energy, wind energy, solar energy, biomass, small rivers, wind generator installation, solar panels, bio plant, micro-hydro power, energy supply in remote areas, Republic of Sakha (Yakutia).
Александр Сергеевич Семёнов
Сведения об авторе: Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном. Аспирант, старший преподаватель кафедры "Электрификация и автоматизация горного производства". Образование: высшее.
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоаудит, исследование показателей качества электроэнергии, моделирование ЭМС. Публикации: 16 статей, 1 монография, 13 учебных пособий.
Владимир Сергеевич Шипулин
Сведения об авторе: Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном. Студент специальности «Электромеханика». Образование: студент 5 курса.
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоаудит. Публикации: 5.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Евгений Игоревич Рушкин
Сведения об авторе: Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном. Студент шециальности«Электромеханика» Образование: студент 4 курса
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоаудит Публикации: 5
Пётр Владимирович Саввинов
Сведения об авторе: Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» в г. Мирном. Студент специальности «Электроснабжение» Образование: студент 4 курса
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоаудит Публикации: 3
Розалия Егоровна Еремеева
Сведения об авторе: Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова» в г. Мирном. Студентка специальности «Электроснабжение» Образование: студентка 4 курса
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоаудит Публикации: 2
Введение
Масштабы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым, прежде всего, относятся энергия солнца, ветра, биомассы, малых рек, геотермальная энергия и природное низкопотенциальное тепло, растут с каждым годом. Сегодня их доля в мировом энергетическом балансе составляет около 10%, а к 2020 году, по прогнозам специалистов, должна возрасти до 18%.
В последние годы внимание к новым источникам энергии резко возросло и в России. Несмотря на то, что страна обладает колоссальными запасами нефти, газа и угля, затраты на их добычу и транспортировку неуклонно растут. Большая часть территории с населением около 20 млн. человек не имеет централизованных систем электро- и теплоснабжения. В условиях быстрого роста тарифов (в некоторых регионах России за последние 4 года -в 3-5 раз) многие потребители предпочитают использовать собственные, в том числе нетрадиционные автономные источники энергии. Появляются новые области их эффективного практического применения.
В энергетическом балансе Северных районов России, к которым относится Республика Саха (Якутия), свыше 70% мощностей приходится на экологически "грязные" органические виды топлива - уголь, мазут и дрова, завоз которых весьма дорог. Поэтому все острее становится проблема экологизации северной энергетики, которая должна стать более эффективной в экстремальных условиях Севера. Она должна базироваться на возобновляемых энергоресурсах (мини- и микро-ГЭС, геотермальные ТЭС, ветроэлектростанции и т.д.). Огромные пространства редконаселенной Якутии в первую очередь нуждаются в децентрализованной автономной системе энергообеспечения, независимой от дорогостоящих поставок органического топлива.
Использование ветрогенераторных установок
Ветрогенераторные установки, как и солнечные электростанции, особенно эффективны в небольших поселениях для автономных энергопотребителей, отдаленных от централизованных систем энергоснабжения. Для них энергия ветра является самым экономичным источником электричества.
Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. Считается, что ветроустановки являются эффективными при среднегодовых скоростях ветра свыше 4-5 м/с. Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт.
Рис. 1. Карта воздушного потока скорости ветра на территории России Fig. 1. Map of wind speed airflow in Russia
Для нужд небольшого хозяйства, если среднегодовая скорость ветра будет стабильно превышать 4 м/с, вполне достаточно ветрогенератора мощностью около 1 кВт, который обеспечит электроэнергией основные потребности в электричестве. Причем строение такой малой ветряной установки довольно простое: ротор, лопасти, ветротурбина, хвост; генератор; мачта с
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
растяжками; контроллер заряда аккумуляторов; аккумуляторы (обычно необслуживаемые на 24 В); инвертор (= 24 В ^ ~ 220 В 50Гц); сеть.
К преимуществам использования
ветрогенераторов в Якутии относится: производство электроэнергии на ветрогенераторах возможно без использования органического топлива, потребления технической воды и воздуха; экологичность производства электрической энергии на ветрогенераторах всех типов; ветрогенераторы в составе ветропарков имеют высокую степень автоматизации - не требуется большого количества дежурного персонала; ветрогенераторы по сравнению с другими ВИЭ обладают высокой экономической эффективностью; Якутия обладает большими запасами ресурсов для развития ветроэнергетики.
Конечно, предложенная выше ветрогенераторная установка может использоваться на практике лишь для маломощных электрических приборов. Но при замене генератора на более мощный и увеличении размеров лопастей ветряка в несколько раз можно получить мощности до 10 кВт с выходным напряжением 220-380 В, которые позволят поддерживать снабжение электроэнергией небольшой наслег от трех до пяти домов.
разработка атласа распределения ресурсов солнечной энергии по территории России, создана климатическая база данных, ориентированная на исследования в области солнечной энергетики. Наземных станций, на которых проводятся систематические измерения потоков солнечного излучения на территории России, насчитывается всего около ста, что явно недостаточно для районирования всей территории страны. Поэтому в исследованиях были использованы также спутниковые данные NASA, полученные за 10 лет наблюдений за радиационным балансом земной поверхности, в том числе и над территорией России. В результате сотрудниками лаборатории составлены карты поступления солнечной радиации на неподвижные поверхности, ориентированные различным образом в пространстве для всех регионов за определенные периоды года. Для эффективного преобразования энергии Солнца важно выбрать оптимальный угол наклона солнечного коллектора, при котором суммарное поступление энергии солнечного излучения на приемную поверхность за рассматриваемый период работы максимально. Оптимизация угла позволяет в 1,3-1,5 раза увеличить сбор энергии по сравнению с ее поступлением на горизонтальную поверхность.
Применение солнечных панелей
В настоящее время в автономных системах электроснабжения в качестве источника энергии чаще всего используются генераторы на нефтепродуктах (бензиновые, дизельные, газовые), тогда как их стоимость становятся все дороже, а использование альтернативных источников электроэнергии все дешевле. Поэтому сейчас уже можно говорить о перспективах их массового применения в условиях недоступности централизованного электроснабжения и
недопустимости ухудшения экологической ситуации.
Опыт работы солнечных электростанций показал, что в условиях длительного полярного дня большую пользу приносит не только пассивное использование солнечной энергии (зеркальные веранды, усиленная теплоизоляция), но и пассивные системы теплоснабжения (солнечные коллекторы с водой или с другим аккумулятором тепла). Не потеряли своего значения и активные системы фотоэлементов, функционирующих также и при облачной погоде.
Большая часть территории нашей страны характеризуются хорошим показателем
среднегодового поступления солнечной радиации (от 3,5 кВтч/м2 день), что позволяет обеспечить потребности в электроэнергии без использования загрязняющих природную среду топлива типа бензина или солярки.
В лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ИВТ РАН завершена
Рис. 2. Распределение поступления солнечной энергии по территории России Fig. 2. Distribution of solar energy on territory of Russia
Если взглянуть на карту распределения поступления солнечной радиации на поверхность земли по территории России за летний период, то видно, что большинство районов страны вплоть до 65° северной широты характеризуются примерно одинаковыми высокими значениями среднедневной радиации от 4,5 до 5 кВт-ч/м2 день, и с этой точки зрения энергетическая эффективность солнечных установок на всей этой территории оказывается приблизительно одинаковой.
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 и не нуждаются в установке мачты. Масса солнечной электростанции на 10 кВт доходит до 400 кг, а габаритные размеры в упакованном виде до 1,5-2 метров, что позволяет
140
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
тлт
обходится обычными средствами транспортировки. Также такая станция не будет требовать расходных материалов на время использования в условиях вахты или сезонных работах.
Применение биогаза
В настоящее время в развитии сельскохозяйственного производства Республики Саха (Якутия) важными являются вопросы увеличения энергоресурсов, а в животноводстве -утилизация навоза. Поэтому проблема внедрения и повышения эффективности биоустановок за счет получения оптимального количества биогаза, а также экологически чистых, жидких и твердых биоудобрений, безусловно, является актуальным.
Биогаз - это экологически чистое топливо - газ, получаемый при разложении органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метановым брожением). Ряд положительных моментов, которые достигаются при замене традиционных энергоносителей на биогаз: эффективно решается вопрос утилизации сельскохозяйственных отходов; не наносится вред окружающей среде; снижается нагрузка на энергетические сети страны и регионов.
Разложение биомассы происходит под действием трех видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих бактерий. Первый вид - бактерии гидролизные, второй -кислотообразующие, третий - метанообразущие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Метаногенные бактерии в консорциуме с другими бактериями способны превращать в метан отходы сельскохозяйственного и пищевого производств (лактат), навоз, солому; перерабатывать отходы пищевой, хлопковой, льняной, текстильной, деревообрабатывающей промышленностей и др.; трансформировать в биогаз.
Основной принцип работы любой биоустановки заключается в следующем: биомасса периодически подается в биореактор. Реактор представляет собой резервуар, в котором живут бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз.
Крестьянские хозяйства Якутии впервые начали внедрять технологию выработки газа на основе навоза (биогаза) для отопления помещений. В Малой Мархе, которая находится около города Якутска, недавно был введен в эксплуатацию механизированный коровник на 50 голов скота. Для обеспечения теплом и электричеством помещения площадью 852 квадратных метра понадобилось 12 емкостей по 1 тонне каждая. Установка способна вырабатывать газ не только для отопления и охлаждения, но и для получения электроэнергии, а
также для обеспечения топливом машин и автомобилей.
В России и за рубежом биогаз используется уже достаточно давно, но возможность применения такого экзотического способа получения энергии в Якутии долгое время ставилась под сомнение из-за характерных здесь сильных морозов. Однако благодаря разработкам якутских ученых, которые доказали, что граница температуры для обеспечения процесса брожения биомассы может быть существенно ниже, чем считалось до сих пор, применение газовых установок на биотопливе становится реальным и в суровых местных условиях.
Таким образом, использование биогазовых установок обеспечивает: фактически безотходное производство; стабильное и дешевое энергообеспечение; снижение антропогенного пресса на экосистемы поселков; повышение производительности и рентабельности
сельскохозяйственного производства Республики; положительное влияние на развитие аграрного сектора республики в целом.
Использование энергии малых рек
Энергия малых рек занимает весьма существенное место по запасам и масштабам использования, т.к. обладает стабильностью режима стока большинства рек, а также высокой энергетической плотностью потока воды. Малая гидроэнергетика является прекрасной альтернативой централизованному энергоснабжению для удаленных и труднодоступных районов и районов с ограниченной передаточной мощностью ЛЭП.
На многочисленных маленьких речках Якутии возможно применение низконапорной микро-ГЭС с индивидуальным характером электрической нагрузки для отдаленных северных районов, которая имела бы небольшие габариты для удобства транспортировки.
Общая протяжённость рек Якутии составляет около 2 млн. км, потенциальные гидроэнергоресурсы которых оцениваются почти в 700 млрд. кВт. На рисунке ниже представлена карта
гидроэнергетических ресурсов России.
Преимущества микро-ГЭС: не нарушается природный ландшафт и окружающая среда; качество воды остается прежним, следовательно, ее можно использовать для водоснабжения населения; обеспечивается подача потребителю дешевой электроэнергии в любое время года; полный ресурс работы составляет не менее 40 лет; самый эффективный и надёжный производитель электроэнергии, который использует неисчерпаемый источник движения потоков воды.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 3. Карта гидроэнергетических ресурсов регионов Российской Федерации Fig. 3. Map of hydropower resources of Russian Federation
Вес генератора микро-ГЭС от 40 кг, что является оптимальным выбором для небольшой переносной гидроэлектростанции. Если предположить, что гидроколесо будет выполнено из легкого, прочного материла, например, дюралюминия, то общий вес портативной гидроэлектростанции составит около 100 кг, включая редуктор. Если сделать микро-ГЭС разборной, то группа из нескольких человек сможет с легкостью транспортировать гидроэлектростанцию к месту назначения. Также существует возможность проектирования комбинированных видов возобновляемых и нетрадиционных источников. В настоящее время существует множество энергосберегающих приборов, которые актуальны в сочетании с режимами работы микро-ГЭС.
Выводы
Таким образом, потенциала ветровой и солнечной энергии, гидроэнергии малых рек, энергии биогаза, в принципе, достаточно для нужд энергопотребления, отдаленных и труднодоступных регионов Республики Саха (Якутия). К недостаткам этих видов энергии можно отнести нестабильность, цикличность и неравномерность распределения по территории; использование солнечной и ветровой энергии требует, как правило, аккумулирования тепловой, электрической или химической энергии. Однако возможно создание комплекса электростанций, которые отдавали бы энергию
непосредственно в единую энергетическую систему, что дало бы огромные резервы для непрерывного энергопотребления.
Список литературы
1. Бебихов Ю.В., Шипулин В.С. Возобновляемые источники энергии западной Якутии и перспективы их использования // «ЭРЭЛ-2011»: Материалы Всероссийской конференции научной молодежи / [отв. ред. : И.И. Христофоров и др.]. Якутск: Изд. ООО «Цумори Пресс», 2011. Том 1. С. 186-187.
2. Еремеева Р.Е. Применение альтернативных источников энергии в сельских местностях Якутии // Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире: Материалы III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 24-25 марта 2011 г. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2012. С. 66-71.
3. Саввинов П.В. Мобильная станция электроснабжения малых потребителей // «ЭРЭЛ-2011»: Материалы Всероссийской конференции научной молодежи / [отв. ред.: И.И. Христофоров и др.]. Якутск: Изд. ООО «Цумори Пресс», 2011. Том 1. С. 143-144.
4. Семёнов А.С., Рушкин Е.И. Модель маломощной ветрогенераторной установки // «ЭРЭЛ-2011»: Материалы Всероссийской конференции научной молодежи / [отв. ред.: И.И. Христофоров и др.]. Якутск: Изд. ООО «Цумори Пресс», 2011. Том 1. С. 140-143.
5. Семёнов А.С., Шипулин В.С., Рушкин Е.И. Моделирование режимов работы микро ГЭС и ветрогенераторной установки // Современные исследования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности: сборник научных статей по материалам I Международной научно-практической конференции / редколлегия: А.В. Филонович (отв. ред.) [и др.]. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2012. С. 102-107.
6. Шипулин В.С. Возобновляемые источники энергии западной Якутии и перспективы их использования // Ежемесячный научный журнал. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. № 01 (36) Январь. М. 2012. С. 3535.
142
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
тлт
