УДК 621

Работа посвящена взаимодействию нетрадиционных (солнце, ветер) и традиционных (уголь, газ) источников энергии. Актуальность темы обусловлена возможностью увеличить производство энергии существующими электростанциями при тех же установленных мощностях электрооборудования.

В настоящее время электрическая энергия производится преобразованием тепла от сжигания топлива или расщепления атома в кинетическую энергию движения пара, а затем в электрическую энергию посредством турбины и электрогенератора. Вследствие существования пиков нагрузки на генератор, произведенная за какой то период энергия меньше, чем при равномерной нагрузке. Сейчас для выравнивания нагрузки применяются устройства, которые аккумулируют энергию турбогенератора при снижении спроса на нее потребителем и отдают потребителю при спросе на нее выше какого то среднего значения. В качестве аккумуляторов используются гидравлические и механические. В гидравлическом аккумуляторе во время спада нагрузки турбина вращает насос, который перекачивает воду в емкость на высоту нескольких десятков метров. Во время пика нагрузки насос становится турбиной, которую вращает падающая с высоты вода. Энергия воды преобразуется в электрическую энергию и покрывает пик нагрузки. В механическом аккумуляторе энергия электростанции во время спада нагрузки преобразуется в кинетическую энергию вращения маховика. Во время пика маховик вращает электрогенератор, который покрывает пик нагрузки.

Особенность этих устройств в том, что они не увеличивают общего количества энергии, вырабатываемой электростанцией, а только выравнивают ее поток. Потребителю отдается даже несколько меньше энергии, так как часть ее рассеивается в самих аккумулирующих устройствах.

В качестве энергии, сглаживающей пики, могут использоваться нетрадиционные ее источники: ветер, солнце, приливы и т.д. В настоящее время они используются как локальные в регионах, где нет электрических сетей. Работы по взаимодействию нетрадиционных и традиционных источников энергии авторам неизвестны.

Цель настоящей статьи – обосновать технологию применения нетрадиционного источника энергии для повышения количества энергии, производимой традиционным способом.

Анализируется схема, представленная на рис. 1,а.

Турбина вращает электрогенератор, который в электрическую сеть выдает ток I при напряжении U в течение времени t. В зависимости от нагрузки ток изменяется так, что периодически, с периодом Т, ток увеличивается в k раз на длительность времени t₂ (рис. 1,б). Остальное время периода ток имеет значение I₁. По условиям нагрева генератора среднеквадратическое за период значение тока не должно превышать значения I_ДОП, так что если в течение t₂ имел место перегруз, то в течение t₁ ток должен иметь значение I₁доп.

Математическая модель режима строится так. Допустимый ток выражается через кратность и длительность перегруза, определяется количество энергии, которое генератор отдает в сеть в течение периода и снижение генерируемой энергии из-за перегруза или повышение ее количества при ликвидации перегруза, определяется количество энергии, которое необходимо, чтобы ликвидировать перегруз, и их отношение.

Зависимость между увеличением мощности генератора и длительностью перегруза представлена на рис. 2. Из графиков видно, что существуют области, при которых увеличение энергии генератора больше, чем количество энергии, использованной для ликвидации перегруза (dW/W_пер>1). Эти области увеличиваются с увеличением перегруза и уменьшением его длительности. Так, при ликвидации 4-х кратного перегруза увеличение энергии генератора происходит при длительностях, меньших 0,02 периода, при 5-кратных – меньше 0,08.

Для ликвидации перегруза предлагается использовать нетрадиционные источники энергии – солнце и ветер.

Применение солнечной энергии и использование ее для покрытия пиков предполагает наличие элементов, запасающих энергию. Известно применение с этой целью аккумуляторных батарей. Однако в последние годы появились конденсаторы настолько большой емкости (сотни фарад), что можно говорить об их применении в качестве запасников энергии на электрических станциях.

Структурная схема энергоблока представлена на рис. 3.

Она включает в себя солнечную батарею, преобразующую энергию солнечного излучения в электрическую, конденсатор, запасающий электрическую энергию солнечной батареи, ключ, подключающий конденсатор к инвертору, инвертор, преобразующий постоянное напряжение конденсатора в переменное трехфазное напряжение.

При работе блока солнечная батарея вырабатывает энергию в течение солнечных часов дня. Эта энергия запасается в конденсаторе. Во время пика нагрузки конденсатор подключается к инвертору, энергия конденсатора поступает в сеть трехфазного переменного тока, покрывая разницу между базовой мощностью генератора и мгновенной мощностью нагрузки.

Выводы. Нетрадиционные источники энергии, в частности солнечные батареи, целесообразно использовать для устранения пиков нагрузки на турбогенератор электростанции. При этом увеличивается производство энергии электростанцией на величину большую, чем энергия устраненного пика.