К вопросу об использовании солнечной и ветровой энергии в Беларуси

В Беларуси уже в настоящее время с помощью гелио- и ветротехники можно эффективно решать важные задачи, связанные с энергоснабжением. При этом, оценивая его технико-экономические варианты, нужно учитывать возможности всех источников энергии: и централизованных, и дополнительных.

Развивать отечественную ветроэнергетику целесообразно за счет использования как приобретенных за рубежом ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 200-500 кВт в централизованных электросетях, так и ВЭУ малой мощности (не более 100 кВт) /1, 2/. Если технико-энергетический уровень ветротехники соответствует месту внедрения, то срок ее окупаемости, как правило, не превышает 4-5 лет. На большей части территории Беларуси в течение 50% времени года имеются условия для функционирования ВЭУ малой мощности в автономном режиме — если преобразовывать энергию ветра в дономинальном и номинальном эксплуатационных режимах. При оснащении ветротехники аккумуляторами энергии продолжительность ее полезной работы возрастает примерно до 70% времени года. Для повышения эффективности ветротехники разумно, помимо аккумуляторов, применять и дополнительные источники энергии — в частности, гелиотехнику. При этом надо учитывать следующее. Во-первых, период наиболее эффективного использования солнечной энергии в Беларуси приходится на апрель-сентябрь. Количество энергии, которое может быть получено с 1 м2 солнечного коллектора за этот период, оценивается в 270-450 кВт(ч. Во-вторых, потери тепла в гелиосистемах повышаются не только при понижении температуры окружающего воздуха, но и при увеличении скорости ветра. В-третьих, скорость ветра выше именно в облачные, а не в ясные дни. В-четвертых, в холодное время года приход солнечной радиации заметно падает, а потенциал ветровой энергии значительно возрастает. Следовательно, ветротехника и гелиосистемы могут эффективно дополнять друг друга. При расчетах эффективности ветротехники следует учитывать характер как сезонного, так и суточного распределения энергетической нагрузки.

На рис. 1 — ее характерные графики для усадьбы с автономным энергоснабжением, включающей жилой дом и хозяйственную постройку (рис. 2) /3/ — рис. 1а; пункта механизированной дойки стада из 50 коров — рис. 1б; пункта подогрева воды фермы на 50 коров — рис. 1в; системы аэрации рыбоводного водоема — рис. 1г. Определено, что для этих и подобных случаев оптимальная мощность источников энергии — 4 кВт. Именно под этот параметр подбирается соответствующая ВЭУ.

На рис. 2 показано следующее: 1 — жилой дом; 2 — хозяйственная постройка; 3 — ветроэнергетическая установка; 5 — крыша; 6 — электрический преобразователь; 7 — электрический аккумулятор; 8 и 9 — гелиоводонагревательные установки; 10 и 11 — бойлеры; 12 и 13 — трубопроводы холодного водоснабжения; 14 -топливный водяной обогревательный котел; 15 и 16 — вентили; 17 — скважина; 18 — водяной насос; 19 — распределительный кран; 20 — водонапорный бак; 21 — водяная емкость; А — вариант расположения дома южнее хозяйственной постройки, Б — вариант расположения дома севернее хозяйственной постройки.

График суточного распределения энергетической нагрузки усадьбы (рис. 2) имеет два пика: меньший (утренний) и больший (вечерний). Сезонный характер нагрузки выражается, в частности, в том, что ее летний уровень составляет примерно 80% от зимнего уровня. График распределения нагрузки для усадьбы строится исходя из следующих расчетных данных:
— максимальная нагрузка: Рmax = 4,0 кВт (зимой) и Рmax = 3,2 кВт (летом);
— среднесуточное потребление энергии:

,
где Pi — текущая нагрузка, кВт; Тi — отрезки времени, ч;

Ea = 34,4 кВт(ч (зимой); Ea = 27,4 кВт(ч (летом);

— среднесуточная нагрузка:
Рср = Еа/Тср,
где Тср = 24 ч;
Рср = 1,43 кВт (зимой); Рср = 1,14 кВт (летом);

— коэффициент нагрузки (коэффициент заполнения графика нагрузки):
Кн = Рср/Рmax,
Кн = 0,36 (зимой); Кн = 0,29 (летом).

График нагрузки пункта механизированной дойки представляет собой два пика зимой (утренний и вечерний) и три пика летом (утренний, дневной и вечерний). Этот график строится исходя из следующих расчетных данных:

Рmах = 4,0 кВт (зимой и летом);
Ea = 33,0 кВтч (зимой); Ea = 16,0 кВт(ч (летом);
Рср = 1,38 кВт (зимой); Рср = 0,67 кВт (летом);
Кн = 0,35 (зимой); Кн = 0,17 (летом).

В случае пункта подогрева воды бойлер служит аккумулятором тепловой энергии и может давать следующее количество тепла в сутки:
Q = 860Рmax Тср = 82400 кКал/сут.,
где:
Рmax = 4 кВт (зимой и летом);
860 — тепловой эквивалент электрической энергии, кКал/кВтч.

Вода нагревается с 10°С до 60°С. Средняя теплоемкость в указанном диапазоне температуры Сср = 1,00 кКал/(кг°С). При коэффициенте полезного действия водогрейного котла, равном 85%, масса нагретой воды составит 1390 кг в сутки. Показатели графика энергетической нагрузки пункта подогрева воды независимо от сезона следующие: Еа = 92 кВтч; Рср = Рmax = 4 кВтч; Кн = 1.

График энергетической нагрузки для системы аэрации рыбоводного водоема, осуществляемой путем порционной подачи воздуха (рассматривается один из объектов комплекса из шести прудов площадью по 0,15 га с несколькими установками вентиляторного типа УВМ 2-0,25 или АВЭУ 6-4М, оснащенными компрессорами) построен исходя из следующих показателей: Еа = 36 кВтч/сут.; Рср = 1,5 кВт; Кн = 0,5. Помимо использования ветро- и гелиотехники в системах автономного энергоснабжения, весьма актуально включение ВЭУ в системы централизованных электросетей. Показательно, что за рубежом 90% мощностей ветротехники задействованы для работы именно на такие сети, а наиболее выгодной формой использования энергии ветра являются ветроэнергетические станции с автоматическим дистанционным управлением. Расчеты показывают, что для сетевого электроснабжения с использованием ветротехники пригодно 40% территории Беларуси. Причем только с 1% этой площади за счет энергии ветра можно получать более 3 млрд кВт(ч электроэнергии в год.

Литература
1. Лаврентьев Н., Жуков Д., Стефаненко Н. Основные виды возобновляемой энергии. Потенциал Беларуси // Энергетика и ТЭК. — 2003. — №5. — С. 34-39.
2. Лаврентьев Н., Жуков Д. Развитие белорусской ветроэнергетики: опыт Занарочи // Энергетика и ТЭК. — 2004. — №8. — С. 43-45.
3. Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Энергетические и архитектурные аспекты использования ветро- и гелиотехники в Беларуси // Архитектурные тетради. Выпуск I. Современные проблемы архитектуры и стратегия архитектурного образования; Сб. научн. тр. / Бел. нац. технич. ун-т; архитектурный факультет; Ред. кол.: Иодо И.А. (гл. ред.) и др. — Мн.: «Юнимедиа», 2004. — С. 205-209.

Н.А. ЛАВРЕНТЬЕВ, канд. техн. наук, член-корр. Международной академии экологии,
Д.Д. ЖУКОВ, канд. техн. наук, доцент Белорусского национального технического университета

Этот доклад был сделан на III Международной научно-технической конференции «Аграрная энергетика в XXI столетии», состоявшейся 21-23 ноября в Минске