Автономное энергоснабжение лесных терминалов

Часть 2. Использование альтернативных источников энергии

Часть 1
Часть 3

Малая солнечная энергетика

Бурный прогресс в технологии производства фотоэлектрических модулей (ФЭМ), а также наблюдаемый последние 10 лет прогресс в производстве систем накопления электроэнергии (СНЭ) и связанное с этим значительное снижение удельной стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями (СЭС), привели к тому, что СЭС стали вполне реальным альтернативным источником электроэнергии, и прежде всего в изолированных энергосистемах. За восемь лет, с 2012 года, установленная мощность фотоэлектрических модулей в России выросла с 0,1 до 1,726 МВт. Потенциал солнечного излучения России представлен на карте (рис. 1).

Пока говорить о СЭС, как о полноценном и достаточном источнике электроэнергии, не приходится в силу его нестабильности. Потребуются значительные затраты на аккумуляторные батареи. Поэтому в настоящее время в изолированных энергосистемах применяются автономные гибридные электроустановки, состоящие из ДЭС – основного источника, СЭС – дополнительного, СНЭ – опционально, АСУ – управления режимами.

Получили распространение автономные гибридные энергетические установки (АГЭУ) двух типов: стационарные, относительно большой мощности и мини-АГЭУ относительно небольшой мощности. Стационарные АГЭУ предполагают отдельную площадку под размещение ФЭМ и существенные затраты на строительно-монтажные работы для их установки. Мини-АГЭУ, как правило, создаются на базе блок-контейнеров с оборудованием, включая ДЭС, являющихся опорной конструкцией для установки ФЭМ. Затраты на установку мини-АГЭУ минимальные. Обычно мощность мини-АГЭУ не превышает 10 кВт.

Стоимость электроэнергии, выработанной ДЭС, определяется стоимостью дизельного топлива, включая стоимость его доставки, стоимостью эксплуатации ДЭС, а также стоимостью хранения дизельного топлива. Очевидно, что составляющие стоимости такой электроэнергии имеют тенденцию к повышению.

А относительная стоимость основного оборудования, входящего в состав СЭС, в том числе ФЭМ, СНЭ, инверторное оборудование, контроллеры АСУ, имеет тенденцию к снижению. При этом стоимость затрат на выполнение работ с применением даже небольшого количества техники имеет существенную постоянную составляющую, зависящую от труднодоступности площадки строительства. По этой причине реализация СЭС с циклом строительства относительно малой мощности может оказаться за рамками экономической целесообразности. В этом отношении действует прямая зависимость: чем больше установленная мощность СЭС (с учетом объемов потребления, конечно же), тем выше экономический эффект от ее работы. Точные данные о стоимости реализации АГЭУ могут быть получены в результате разработки проектного решения с учетом всех конкретных условий, выбора оборудования СЭС и СНЭ, определения их оптимальных параметров. Имея эти данные, а также точные данные по стоимости электроэнергии, получаемой от ДЭС, несложно определить сроки окупаемости реализации АГЭУ.

Стоимость реализации мини-АГЭУ не включает затраты на строительство и определяется только стоимостью оборудования, его доставки и незначительными затратами на монтаж на месте развертывания. Также при реализации мини-АГЭУ не потребуются затраты на проектирование. Тем не менее точная стоимость реализации мини-АГЭУ может быть установлена после определения всех индивидуальных параметров и условий эксплуатации.

Основным недостатком СЭС является выраженная сезонность работы.

Энергия воды

В России большое количество малых рек, ручьев (табл. 1), на которых можно построить микроГЭС и получать очень дешевую и экологически чистую энергию для энергоснабжения удаленных от центральной электросети потребителей.

Вырабатываемая микроГЭС мощность определяется двумя факторами:

• напором воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие вырабатывающий электроэнергию генератор;
• расходом воды, то есть объемом, поступающим на турбину в единицу времени (обычно секунду).

Основным показателем эффективности использования микроГЭС является скорость движения водного потока. Если скорость течения реки меньше 1 м/с, то для увеличения скорости потока необходимо сделать обводной канал переменного сечения.

Преобразование энергии движущейся воды в электрическую не является открытием, такие инженерные сооружения использовали геологи и лесозаготовители в местах, далеких от цивилизации.

МикроГЭС отличают следующие преимущества:

• работа в любое время суток и при любой погоде (в сравнение ветрогенераторы и солнечные батареи ограничены по этим показателям);
• возможность установки на реке малой глубины;
• бесшумная работа и отсутствие загрязнения водной среды;
• экологическая безопасность оборудования;
• низкая стоимость получаемой электроэнергии;
• простота и надежность применяемого оборудования;
• неисчерпаемость используемых для выработки энергии ресурсов;
• отсутствие необходимости получения разрешительных документов на установку и использование.

К недостаткам микроГЭС относят невозможность работы в период замерзания малой реки и ограничение по минимальной скорости течения, а также относительную опасность для обитателей водной фауны (вращающиеся лопатки турбин в скоростных потоках могут представлять угрозу для рыб и мальков).

Безнапорные микроГЭС разделяются на три группы: гирляндные, погружные и наплавные.

Различают четыре типа турбин микроГЭС: осевые, радиально-осевые, ковшовые и поворотно-лопастные (рис. 2–4).

При работе осевой турбины поток воды движется вдоль оси, попадая на лопасти. Этот принцип получения электрической энергии используется в гирляндных ГЭС.

В рабочем колесе радиально-осевой турбины поток воды сначала движется радиально, от периферии к центру (рис. 3), а затем в осевом направлении вращения на выход из рабочего колеса.

В ковшовые турбины вода поступает через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. В сопле сечение струи сужается, и вода с большой скоростью ударяет о лопатку турбины, приводя во вращение рабочее колесо. Сегодня при проектировании микроГЭС чаще всего используется такая конструкция турбины.

Электрогенерирующая установка каждой проектируемой микроГЭС должна состоять из турбины, генератора и системы автоматического управления, в которую входят блоки управления турбиной, балластной нагрузки, стабилизатор напряжения и банк накопления энергии (АКБ).

Каждая из представленных выше гидротурбин соединяется валом с генератором для выработки переменного тока. Функции блока управления – обеспечение пуска и остановки гидроагрегата, синхронизация его работы с работой общей энергосистемы, контроль за режимами работы и функция аварийной остановки микроГЭС.

Блок балластной нагрузки предназначен для рассеивания неиспользуемой в данный отрезок времени мощности микроГЭС в целях сохранения работоспособности электрогенератора и систем контроля и управления. Стабилизатор предназначен для управления зарядом аккумуляторных батарей и преобразования напряжения.

АКБ служит накопителем энергии, от его емкости зависит длительность работы потребителя энергии при автономном режиме питания.

К группе погружных микроГЭС относятся пропеллерные гидротурбины. Это оснащенные вертикальным ротором подводные «ветряки», у которых, в отличие от воздушных, лопасти минимальной ширины, всего 2 см, обеспечивающие минимальное сопротивление и максимальную скорость вращения. Такую конструкцию применяют при скорости потока 0,8–2,0 м/с. К погружным микроГЭС относятся пропеллерные гидротурбины, выпускаемые в ИНСЭТ, Санкт-Петербург. Их мощность достигает 15 кВт, но для их работы необходим большой расход воды и организация подпора воды от 2 до 14 м. А такая конструкция уже требует согласования проведения работ и установки микроГЭС на водных объектах.

Наиболее простой в изготовлении, малозатратной при установке и эксплуатации в расчете на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии считается гирляндная микроГЭС. Требования к водному объекту для ее сооружения тоже предельно просты: глубина реки должна быть больше 25 см, скорость течения – от 1,0 м/с.

Каждая ветка гирляндной микроГЭС состоит из легких турбин, называемых гидровингроторами. Они нанизываются на трос, который перебрасывается между берегами речки. Такая схема называется поперечной гирляндной микроГЭС (рис. 5).

Каждый гидровингротор состоит из двух взаимно смещенных полуцилиндров. При погружении гидровингротора в поток воды из-за разности гидравлического давления на его поверхности относительно оси вращения создается крутящий момент.

В поперечной гирлянде один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, а второй вращает ротор генератора (рис. 6). Трос играет роль вала, вращательное движение которого передается генератору.

Гидровингротор оказывает лобовое сопротивление потоку, из-за этого трос гирлянды натягивается и выгибается в направлении течения реки. Гидровингроторы крепятся к тросу попарно. У каждой пары свой узел крепления, и в каждой паре один гидровингротор развернут по отношению к другому на 90° для создания равномерного вращения троса, а следовательно и вала генератора.

При установке гирлянды учитываются особенности конструкции:

1. Роторы на тросе закрепляются попарно со смещением роторов каждой следующей пары на 90° относительно друг друга для обеспечения равномерного вращения.
2. Направление вращения троса выбирается так, чтобы его нити работали только на скручивание.
3. Заборники турбин устанавливаются по отношению к потоку по двум вариантам:
   • выше троса, тогда гирлянда работает «на всплытие» и при вращении держится на поверхности воды (используется в весенне-летний период на любой реке);
   • ниже троса, тогда гирлянда прижимается ко дну, но его не касается (используется в зимний период подо льдом и на судоходных реках).
4. Опущенная в воду гирлянда создает немалый крутящий момент, поэтому при переброске гирлянды через поток нельзя допускать касания воды провисшими частями гирлянды.

Если река небольшой ширины и одна ветка гирлянды не может достичь требуемой мощности, то устанавливают ряды гирлянд, так называемую многогирляндную микроГЭС по схеме (рис. 7).

При всех достоинствах микроГЭС ее главный недостаток – сезонность работы является критичным для рассматриваемой технологии лесных терминалов, поскольку основной объем заготовки и переработки древесины в России приходится на зимний период (проще работать на лесосеках при замерзшем почвогрунте, значительно дешевле обходятся лесовозные дороги), когда микроГЭС работать не могут.

Дизель-генераторы

В настоящее время для обеспечения электроэнергией удаленных объектов используются подвижные и передвижные электроагрегаты, электрогидроустановки, аэродромные электромотор-генераторы, характеризующиеся большой массой и габаритами (табл. 2).

Например, в Дальневосточном регионе работают более 3000 дизельных электростанций. Электроснабжение региона во многом зависит от стабильности поставок дизельного топлива, стоимость которого постоянно растет.

Основные недостатки электроснабжения от перечисленных электроагрегатов – это низкий КПД преобразования энергии (20–30%) вследствие многоступенчатой ее передачи, а также сложные кинематические схемы передачи крутящего момента от вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на ротор генераторов, приводящие к снижению надежности и качеству электрической энергии.

Модели иностранных дизель-генераторов принципиально не отличаются от отечественных образцов по способам получения электроэнергии, массо-габаритные параметры тоже расходятся незначительно.

Зарубежные разработки направлены на создание малогабаритных преобразователей как автономного, так и стационарного исполнения. Среди основных зарубежных производителей автономных источников электропитания выделяются AXA Power ApS (Дания), Houchin Aerospace, Red Box International Ltd., LPA Niphan Systems (все Великобритания), Hobart Ground Systems и Trilectron Industries, Inc. (оба США), Flyer-Truck Maschinenbau Konrad Zaglauer и Gifas Electric (оба Германия).

Широкое распространение получили электроагрегаты Hobart, смонтированные как на шасси прицепов с управляемыми передними колесами, так и в стационарном исполнении. Эти электроагрегаты представляют собой автономные аэродромные источники питания с силовой дизельной установкой Cummins QSB и предназначены для обеспечения ВС переменным трехфазным током 115/200 В частотой 400 Гц, постоянным током 28 В и осуществления электростартерного запуска авиационных двигателей.

Также фирма Hobart выпускает статические преобразовательные электроагрегаты PowerMaster ADV, которые представляют собой преобразователь и выпрямитель в одном корпусе и предназначены как для питания ВС переменным трехфазным током 115/200 В, частотой 400 Гц, так и постоянным током напряжением 28 В. Особенностью этих преобразователей является отсутствие силовой установки, что значительно снижает их вес и габаритные размеры. Однако питание необходимо обеспечить от промышленной сети или дизель-генератора.

Спецоборудование зарубежных электроагрегатов монтируется на специальных прицепах и тележках, что уменьшает их массу и габариты, обеспечивает доступный подъезд (в сравнении с отечественными электроагрегатами). Наблюдается тенденция к модульному построению преобразователей с использованием современной элементной базы. В зарубежных преобразователях применяется система автоматической компенсации напряжения в зависимости от длины кабеля, она анализирует все характеристики и параметры кабеля и автоматически определяет падение напряжения с учетом особенностей нагрузки.

Наземные электроагрегаты фирмы Hobart (США) 160DZ20, 180DZ20, GPU-400 и GPU-600 оборудованы системой «мягкий старт», которая исключает наличие бросков пускового тока.

Отечественные дизель-генераторы в сравнении с зарубежными аналогами демонстрируют ряд недостатков:

• использование длинных кинематических механических передач и трансмиссии обусловливает нестабильность частоты выдаваемого тока;
• большие обороты двигателей и раздаточных коробок способствуют преждевременному выходу из строя энергосистемы;
• использование в трансформаторно-выпрямительных блоках в качестве силовых элементов селеновых, кремниевых и германиевых полупроводниковых приборов и старой элементной базы ограничивает мощностные показатели блоков, а также снижает надежность энергосистемы.

Таким образом, неравномерность распределения нагрузки и ее резко меняющийся характер при питании авиационных комплексов от автономных источников электрической энергии в ходе наземного обслуживания являются причиной снижения качества выдаваемой электрической энергии по частоте, а также приводят к уменьшению ресурса и экономичности приводных двигателей и КПД всего процесса.

Анализ отечественных и зарубежных преобразователей позволяет наметить основные пути совершенствования и развития наземных энергосистем. Альтернативным направлением развития средств электроснабжения является использование систем прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, повышающих надежность и КПД энергоустановок. Применение таких средств не только позволит существенно упростить этап генерации тепловой и электрической энергии, но и повысит надежность и эффективность наземных электроагрегатов. Так что развитие способов и методов использования электрофизических и электрохимических генераторов для обслуживания удаленных тепличных комплексов имеет большое значение.

Системы генерирования тепловой и электрической энергии для лесных терминалов развиваются по пути создания автономных средств тепло- и электроснабжения. Рост потребностей лесных терминалов обуславливает постоянное увеличение требуемой выходной мощности электрической энергии транспортабельных энергокомплексов. Для обеспечения функционирования лесного терминала необходим переменный однофазный ток 220–240 В, 50 Гц, переменный трехфазный ток 380 В, 50 Гц (освещение, работа агрегатов и электродвигателей).

Возможности лесного терминала зависят от энергетической мощности средств электроснабжения – технических параметров и режимов снабжающего энергокомплекса. Основными характеристиками энергокомплекса являются выходная мощность, цена на топливо, мобильность, надежность, время развертывания и подготовки, температурный диапазон работы, требуемый обслуживающий персонал, массо-габаритные параметры, себестоимость.

Основным преимуществом централизованной системы электроснабжения является возможность одновременного обслуживания большого количества энергоемкого оборудования. При этом сокращаются экономические затраты, так как получение требуемой электроэнергии происходит за счет преобразования энергии промышленной сети, относительно недорогой и постоянно доступной в условиях повседневной деятельности. Однако на удалении от ЛЭП эффективность данных систем генерирования электрической энергии резко снижается, так как в ходе эксплуатации сокращается радиус действия.

Важно обеспечить устойчивость энергогенерирующего комплекса к действию пыли, песка, атмосферных осадков (дождь, мелкий град, снег, ветер, обледенение), температурных перепадов от -60 до +40ºС. Это достигается за счет простой конструкции газогенератора обращенного типа, который выполняет функцию генератора тепловой энергии. Во-первых, в комплексе отсутствуют движущиеся элементы, поэтому исключен механический износ деталей. Во-вторых, входной патрубок для притока внешнего воздуха в камеру термохимической реакции внутри газогенератора оборудован механическим фильтром.

В случае засорения внутренней части газогенератора вредные продукты удаляются вместе с зольным остатком через зольник. При этом не требуется дополнительная продувка внутренней части газогенератора сжатым воздухом или промышленным пылесосом.

Мобильные энергокомплексы могут перемещаться к удаленным лесным терминалам своим ходом и обеспечивать электрической энергией основной лесной поселок при выходе из строя центральной системы энергоснабжения. Эти агрегаты абсолютно автономны и генерируют электрическую энергию требуемой мощности. К тому же высокая проходимость автомобильных базовых шасси, на которых установлено специальное оборудование, позволяет перемещаться по грунтовым дорогам.

Системы генерирования достигли предела в развитии, а набор их существенных недостатков обусловливает необходимость поиска наиболее эффективных способов рационального использования выдаваемой энергии и разработки ИЭЭ, основанных на новых принципах получения энергии. Разработка новых научно обоснованных технических решений, нацеленных на создание устройств, позволяющих повысить эффективность преобразования энергии, сегодня весьма актуальная задача.

Выбор параметров энергетической системы определяется требуемой энергетической мощностью для функционирования лесного терминала. Обеспечение потребителей мощностью свыше 250 кВт тепловой энергией и более 30 кВт электрической предполагает использование нескольких наземных средств тепло- и электроснабжения. При этом их количество должно подбираться по принципу наибольшего соответствия процессам обслуживания конкретных удаленных комплексов.

Существующие разработки, связанные с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую, пока не получили должного развития. Изучение новых разработок в этом направлении показало, что преобладающие установки с классической схемой преобразования энергии по схеме «химическая энергия топлива – механическая энергия – электрическая энергия» находятся в стадии стагнации.

В последнее время в литературе появляются данные о переходе на элементы водородной энергетики, но при этом для получения водорода предлагается использовать керосин высокой степени очистки от серы.

Активное производство дизельных двигателей, работающих на природном газе, безусловно, является важным научным и техническим решением проблемы энергетики. Но ресурсы ископаемых углеводородов исчерпаемы, а рациональное природопользование в настоящее время как никогда актуально.

Анализ мировых исследований и разработок в области электро-дизель-генераторов выявил следующие основные тренды:

1. Техническая система, предназначенная для получения электрической энергии посредством дизель-генераторов, приближается к исчерпанию внутренних ресурсов, и ее дальнейшее развитие связано с объединением с альтернативными по исполнению техническими системами того же назначения либо более радикально – переход на новые физические принципы действия.
2. Попытки повысить производительность существующих дизель-генераторных энергосистем сопряжены с немалыми затратами, при этом эффективность усилий будет незначительной. 

Текст:
Александр Помигуев, Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина,
преподаватель кафедры тактики общевойсковых дисциплин
Ольга Куницкая, АГАТУ, д-р техн. наук, профессор кафедры ТОЛК
Дарья Бурмистрова, УГТУ, аспирант Владимир Григорьев СПбГЭУ, студент

Окончание