Повышение уровня экологической безопасности объектов хозяйствования за счет комплексного использования альтернативных источников энергии

Аннотация

Бородько  Э.Ю., Макеева  Д.А. Повышение уровня экологической безопасности объектов хозяйствования за счет комплексного использования альтернативных источников энергии. В данной работе рассматривается возможность использования и применимость для Донбасса гибридной ветросолнечной системы энергосбережения.

Инновационный подход к энергонезависимости объектов хозяйствования приводит к повышению уровня экологической безопасности города. Рациональным является комплексное использование альтернативных источников энергии. Это позволяет минимизировать недостатки, характерные каждому из них. У всех источников энергии есть свои недостатки. У жидко–топливных – дороговизна содержания, у солнечных дороговизна установки, у ветровых – непостоянство ветра. Поэтому для автономного и полностью надежного обеспечения энергией рекомендуется использовать объединенную, так называемую, гибридную систему. Таким образом, используются все преимущества и нивелируются недостатки.

Исследование, проводимое автором, и представленное в этой статье направлено на технико–экономическое обоснование и подтверждение целесообразности комплексного использования альтернативных источников энергии, это, безусловно, будет способствовать повышению уровня экологической безопасности объектов хозяйствования, что в свою очередь будет повышать уровень энергетической независимости государства.

Традиционные источники электроэнергии работают на углеводородном топливе, которое загрязняет атмосферу. Эту проблему пытались решить так называемым мирным атомом. Предполагалось, что проблема с недостатком электроэнергии и вреде экологии решена, но в 1986 году атомная электростанция показала обратный эффект.

В процессе поиска безопасного источника электроэнергии было открыто множество альтернативных источников энергии, преобразующих обычные земные процессы в электрическую, механическую и тепловую энергию. Самые распространенные из них это ветровая и солнечная энергия.

Ветроэнергетика – это преобразование кинетической энергии воздуха в механическую, электрическую, тепловую или в любую другую энергию, необходимую в народном хозяйстве. Преобразование в электрическую энергию происходит с помощью ветрогенераторов, которые бывают вертикальными и горизонтальными.

На сегодня самая мощная ветроэлектростанция в мире находится в Индии штат Раджастхан, её производительность составляет 1064 МВт, вторая по мощности находится в Техасе, США, производительность 781,5 МВт.

Солнечная энергия – это энергия от Солнца в форме радиации и света. В настоящее время различают 2 наиболее популярных способа преобразования солнечной энергии: фотовольтаика и гелиотермальная энергетика.

Первая по мощности солнечная электростация расположена в штате Аризона, а вторая по мощности индийская фотоэлектрическая станция, которая дает в год 214 МВт энергии.

Современное использование гибридных установок также может обеспечивать горячей водой, например, с помощью использования солнечной и геотермальной энергии.

Ветрогенераторы дополняются бензо– или дизельным генератором для питания нагрузки переменного тока (освещение, телевизор, аудиосистема, холодильник, стиральная машина и т.д.) в качестве дополнительного источника электроэнергии на период безветрия или пиковой нагрузки. В данном исследовании в качестве дополнительного источника энергии к ветрогенератору, предлагается солнечная батарея (рисунок 1).

В типовой состав системы входят:

Ветрогенератор – вырабатывает электроэнергию с параметрами, зависящими от скорости ветра.

Солнечная батарея (фотоэлектрический модуль – ФМ) – вырабатывает дополнительную энергию от солнечного света, зависящую от освещенности. Повышает надежность и предсказуемость энергообеспечения и суммарную выработку энергии.

Аккумуляторные батареи – накопитель электроэнергии, выработанной от ветра и солнца. Необходимы также для согласования графиков выработки и потребления энергии.

Инвертор – источник бесперебойного питания – устройство, согласующее между собой указанные выше компоненты, нагрузку и внешнюю сеть 220В. Автоматически коммутирует нагрузку на питание от внешней сети 220В или от преобразователя. Отображает параметры системы на цифровом индикаторе. Выходная мощность инвертора определяет выходную мощность всей ветросолнечной системы.

Мачта – служит для установки головки на высоте, на которой ветровой поток не затеняется препятствиями и имеет достаточную скорость.

Наибольшее распространение из альтернативных источников электроэнергии получили солнечные батареи и ветрогенераторы (рисунок 2). Обе технологии достаточно хорошо отработаны, цены на оборудование постепенно снижаются, и сейчас, например, солнечный модуль мощностью 200‒ 250 Вт можно приобрести за приемлемую сумму.

Автономные ветросолнечные электрические системы могут быть различной мощности. Для питания маломощной нагрузки – например, 2–3 люминесцентных или светодиодных светильника, телевизор, радио и другую маломощную нагрузку постоянного тока, небольшой холодильник – система строится на базе маломощных ветроэлектрических установок мощностью 200–500 Вт. Такие системы рекомендуются при среднегодовых скоростях ветра от 3 м/c.

Это не единственный пример гибрида в альтернативной энергетике. Довольно популярны на сегодняшний день гибридные электростанции, сочетающие в себе «зеленые» генераторы энергии с традиционными. Примером может служить опыт американских энергетиков, которые объединили тепловую электростанцию с солнечным генератором, удешевив тем самым электроэнергию на двадцать процентов и сделав производство энергии более экологичным. Существует вариант гибрида в Израиле, где солнечный генератор «скрещен» с газовой турбиной, которая служит резервным источником энергии в темное время суток и пасмурные дни. Все более популярной становится гибридная мобильная установка, которая совмещает в себе ветрогенератор, солнечные батареи и резервный генератор на дизельном топливе. Вся эта электростанция размещена на автомобильном прицепе, что позволяет возить с собой электричество в прямом смысле этого слова. Появление различных вариантов гибридных энергетических систем дает возможность человечеству плавно и безболезненно перейти в новую эру энергетики, в которой энергия будет дешевле и чище.

В данной работе рассматривается возможность использования и применимость для Донбасса гибридной ветросолнечной системы энергосбережения, что является продолжением уже проведенных исследований, посвящённых комплексному использованию альтернативных источников энергии. В процессе исследования ветрогидроэлектростанции был проведен расчет экологической и экономической целесообразности, который показал, что за счет комплексного использования энергии ветра и воды в условиях работающей шахты, предприятие может себя обслуживать без посторонней помощи (снабжение электроэнергией) и продавать избыточную электроэнергию населению. Экологический эффект состоит в уменьшении выбросов парниковых газов и снижении платы за выбросы.

Для Донецкого региона возможным и целесообразным является также использование гибридных комплексов «ветер–солнце».

Донецкий климат имеет характерный для степной зоны, ярко выраженный характер ветров. Зимой на Донбассе преобладают восточные, юго-восточные и северо-восточные ветры, летом – западные и северо-западные, ветры южного направления бывают редко. Среднемесячная скорость ветра в Донецке в октябре – апреле 6,1 метра в секунду, в мае–сентябре – 4,4 метра в секунду, максимальная скорость ветра в городе 34 метра в секунду. Когда зимой дуют северные и северо–восточные ветры, температура в городе Донецке может опуститься ниже 30 градусов, летом при ветрах этих направлений в городе становится по–осеннему холодно. Восточные и юго–восточные ветры летом приносят суховеи.

По мнению ученых, 220 солнечных дней в году вполне достаточно, чтобы внедрение солнечных коллекторов было экономически выгодно. На Донбассе 190 солнечных дней, что позволяет использовать солнечные батареи в полной мере.

Использовать такие ветросолнечные электростанции можно в любой точке планеты, потому что плотность потока солнечного излучения достаточно высока. Есть географические места, где солнце светит практически круглый год, добавив к такому потоку силу ветра, и установив ветрогенераторы, можно получить невероятную по мощи энергию. Использование данных гибридных установок на территории Донбасса является перспективными, данному вопросу будут посвящены дальнейшие исследования.

Список использованной литературы

1. Ветро–солнечная электростанция https://www.solarhome.ru
2. Гибридные солнечные и ветро–солнечные электростанции https://greensystem.com.ua/..
3. Климат в городе Донецк http://alldonetsk.info/..
4. Бородько, Э.Ю. Управление ресурсосбережением с учётом комплексного использования альтернативных источников энергии [Текст] // «Экологические проблемы топливно – энергетического комплекса», научная конференцияв, сборник научных трудов (21 марта 2019 г., Донецк) / ред. В.Н. Артамонов, И.А. Павлюченко – Донецк, ДонНТУ, 2019 г. – С. 16–19.
5. Бородько, Э.Ю., Макеева, Д.А. Использование ветровой энергии в условиях Донбасса [Текст] // «Экологические проблемы топливно – энергетического комплекса», студенческая научная конференция,сборник научных трудов (26 апреля 2018 г., Донецк) / ред. В.Н. Артамонов, И.А. Павлюченко – Донецк, ДонНТУ, 2018 г. – С. 13–16.
6. Бородько, Э.Ю, Макеева,  Д.А. Экономическая целесообразность комплексного использования альтернативных источников энергии [Текст] // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сборник материалов ХIII Международной конференции аспирантов и студентов / ДОННТУ, ДонНУ. – Донецк: ГОУ ВПО «ДОННТУ», 2019. – С. 257–260
7. Обозов, А.Дж., Ботпаев, Р.М. Возобновляемые источники энергии [Текст]. / Обозов,  А.Дж., Ботпаев,  Р.М. – Бишкек: КГТУ, 2010. – 224 с.