ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ НА ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

Булычева Е.А.¹, Фролков О.А.², Солопов Р.В.³, Сафорзода А.Х.⁴

¹ORCID:0000-0003-1620-2291, Магистр,

²ORCID: 0000-0002-7717-1161, Директор Инженерного центра,

³ORCID: 0000-0002-0882-7278, Кандидат технических наук, доцент, ⁴ORCID: 0000-0003-3754-5242, Аспирант, ^3,4филиал Национального Исследовательского Университета "Московский энергетический институт" в г. Смоленске

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ НА ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

Аннотация

Приведена характеристика малой энергетики республики Таджикистан. Дано описание методического подхода и модельного инструментария по обоснованию применения возобновляемых источников энергии для децентрализованных потребителей. Объединение и конвертирование альтернативных источников в комплекс альтернативной энергии (КАЭ) позволит существенно улучшить электроснабжение удаленных потребителей, снизить тарифы на электроэнергию, устранить дефицит активной мощности. Оценены рациональные масштабы возобновляемых источников для энергодефицитных районов республики Таджикистан. Показана необходимость использования ветросолнечного комплекса для адекватного обеспечения экологически чистой энергией децентрализованных потребителей Таджикистана.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, распределенная генерация, солнечные батареи, ветрогенератор, альтернативная энергия.

Bulycheva E.A.¹, Frolkov O.A.², Solopov R.V.³, Saforzoda A.Kh. ⁴

¹ORCID:0000-0003-1620-2291, Master’s Degree Student,

²ORCID: 0000-0002-7717-1161, Director of the Engineering Centre,

³ORCID: 0000-0002-0882-7278, PhD in Engineering, Associate Professor,

⁴ORCID: 0000-0003-3754-5242, Postgraduate Student,

^3,4Branch of the National Research University “Moscow Power Engineering Institute” in Smolensk

PROSPECTS OF USING ALTERNATIVE ENERGY COMPLEXES ON THE EXAMPLE OF THE REPUBLIC OF TAJIKISTAN

Abstract

The characteristic of small power engineering of the Republic of Tajikistan is given in the article. The description of the methodological approach and model tools for justifying the use of renewable energy sources for decentralized consumers is provided. Combining and converting alternative sources into a complex of alternative energy (CAE) will significantly improve the power supply of remote consumers, reduce electricity tariffs and eliminate the shortage of active capacity. Rational scales of renewable sources for energy-deficient regions of the Republic of Tajikistan are estimated. The necessity of using a wind-sun complex for adequate provision of ecologically clean energy to decentralized consumers of Tajikistan is shown.

Keywords: renewable energy sources, distributed generation, solar batteries, wind generator, alternative energy.

Снижающийся уровень обеспеченности глобальной экономики запасами газа  и нефти обозначил тенденцию новой энергетической реальности. В этих условиях сформировался интерес промышленно развитых потребителей к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) – решение энергетической проблемы в условиях всевозрастающей потребности в энергоресурсах [1].

Автономность ВИЭ позволяет снабдить электроэнергией труднодоступные и энергодефицитные районы, объекты временного электроснабжения, сельскохозяйственные, туристические, научно-исследовательские и прочие объекты распределенной генерации. Резервные источники электроснабжения на базе альтернативной энергетики могут эксплуатироваться на объектах здравоохранения, военных и торгово-промышленных комплексах.

По разным обстоятельствам вопросы использования альтернативной энергетики актуальны для всех стран мира. Промышленно развитые страны привлекает энергетическая безопасность, богатые энергоресурсами страны – возможность улучшить экологическую обстановку и завоевать рынки сбыта оборудования. Развивающиеся страны рассматривают ВИЭ как быстрый и относительно дешевый путь к улучшению социально-бытовых условий жизни населения, возможность развития промышленности по экологически приемлемому направлению.

На протяжении многих лет в республике Таджикистан функционировала Объединенная энергосистема Центральной Азии (ОЭС ЦА). За счет импорта энергосистема удовлетворяла 60% потребностей Таджикистана в электроэнергии. Сетевое кольцо распалось в 2009 г. после выхода Узбекистана из ОЭС ЦА, после чего Таджикистан был изолирован от электросетей других стран. Спустя восемь лет в Таджикистане негативно сказываются последствия энергетической дезинтеграции [2].

Долгое время проблемой электроэнергетики Таджикистана являлось отсутствие качественной связи между дефицитным северным и избыточным южным районами страны. Северные и южные части были объединены лишь  после строительства и ввода в эксплуатацию высоковольтных линий электропередач 500кВ «Юг – Север» и 220кВ «Хатлон – Лолазор». Распределительная сеть Таджикистана состоит из линий 110-220кВ, система магистральных сетей включает ЛЭП 220кВ и 500кВ. Сохраняются межсистемные связи с Кыргызстаном и Афганистаном (см. рис.1).

Рис. 1 – Электроэнергетическая сеть Таджикистана

Таджикистан почти полностью зависит от гидроэнергии: в 2015 году 98% общей установленной мощности  по производству электроэнергии приходилось на ГЭС. Доминирование гидроэлектроэнергии в энергетическом балансе порождает зимний энергодефицит вследствие   недостаточной возможности регулирования речного стока (лишь Нурекская ГЭС имеет собственное водохранилище, все другие ГЭС – руслового типа [3, С. 105]).

Ограниченность технических возможностей действующих ЛЭП-500кВ   не позволяет использовать экспортный потенциал ГЭС  Таджикистана в летний период. В то же время в зимний период 70% населения страны страдает от  дефицита электроэнергии. Каждый год по причине ограничения подачи электроэнергии в сельской местности потеря урожая составляет порядка 30%. Дефицит приводит к экономическим потерям, которые, согласно исследованиям Всемирного банка,  ежегодно составляют более $200 млн. [4, С. 11].

Электростанции ориентированы на энергообеспечение крупных городов и промышленных предприятий, в то время как малые населенные пункты, расположенные среди горных ущелий, слабо обеспечены электроэнергией. Обширный и малонаселенный Мургабский район Бадахшанской области, расположенный на высокогорных возвышенностях между Китаем и Афганистаном, получает даже в летние месяцы   минимум электроэнергии от энергосистемы республики.

Правительство Республики Таджикистан приняло ряд законодательных актов по программам общенационального перехода к использованию альтернативных источников энергии. От 1 октября 2016 года постановлением Правительства Республики Таджикистан №392 утверждена «Национальная стратегия развития Республики Таджикистан на период до 2030 года», одной из целей которой является обеспечение доступа к недорогим, устойчивым, надежным и современным источникам малой генерации [5].

Для достижения целей энергетической политики Правительство Таджикистана по объективным причинам отдает приоритетную роль возобновляемым источникам энергии. Планируется продвижение концепции стабильного производства и потребления электроэнергии, создание в сельских районах энергетической инфраструктуры без отрицательного воздействия топливно-энергетической отрасли на окружающую среду [6].

 В высокогорных децентрализованных районах Таджикистана, не имеющих электрической связи с энергосистемой, экономически обосновано применение несетевых источников возобновляемой энергии. В качестве автономных источников энергии оправданы солнечные батареи и ветрогенераторы небольших мощностей от 1 до 50 кВт.

Таджикистан полностью входит в «мировой солнечный пояс», однако, несмотря на благоприятные климатические условия, потенциал солнечной энергии в республике промышленно не используется. В Таджикистане 300 солнечных дней в году, интенсивность солнечной радиации в большинстве районов республики достигает 1000 Вт/м², а годовая сумма радиации превышает 2000 кВт/м², солнечный потенциал составляет  25 млрд. кВт⋅ч/ год. Это в два раза больше чем в средней полосе Европы, где использование солнечной энергии носит обширный характер. Рисунки 2-3 отражают среднемесячную инсоляцию четырех крупных городов Таджикистана (по данным исследований NASA) [7].

Рис. 2 – Среднемесячная инсоляция на горизонтальной поверхности

Рис. 3 – Среднемесячная полуденная инсоляция на горизонтальной поверхности

Продолжительность солнечного сияния в условиях высокогорья зависит от экспозиции склонов и степени закрытости горизонта окружающими хребтами: на крутых склонах и в узких долинах  число часов солнечного излучения снижается. Весной по сравнению с горизонтальной поверхностью северные склоны крутизной 10°-30° получают радиацию на 10-20% меньше.

Ветровой потенциал республики составляет 25-150 млрд. кВт⋅ч/год. Среднегодовая скорость ветра по данным NASA [7] изменяется в пределах от 0,8 до 6,0 м/с. Самые сильные ветры наблюдаются в высокогорных районах с открытой формой рельефа, где орографические факторы способствуют увеличению барических градиентов и приводят к усилению скорости ветра. Среднегодовая скорость ветра в этих районах достигает 5 - 6 м/с, на открытых равнинах и в широких долинах - несколько ниже и составляет 3 - 4 м/с, в предгорьях - до 3 м/с, в замкнутых котловинах и в низинных южных районах не превышает 1 - 2 м/с (см. рис. 4).

Рис. 4 - Среднемесячная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, м/с

 

Энергию ветра наиболее целесообразно использовать на территории  Файзабадского горного региона, Ферганской долины, Мургабской котловины, а также на горных перевалах Хабуробад, Анзоб и Шахристан.

Представленные результаты свидетельствуют, что Республика Таджикистан обладает  большим потенциалом  генерации за счет ВИЭ.

Для наиболее выгодного использования возобновляемых источников необходимо их интегрировать в гибридный комплекс альтернативной энергии (КАЭ), который обладает высокой гибкостью и надежностью  электроснабжения [8], [9], [10].

Солнечные батареи (СБ) и ветрогенераторная установка (ВГУ) – основные элементы гибридного комплекса, обеспечивающие стабильность поступления электроэнергии в сеть. Блок аккумуляторных батарей (АКБ) является промежуточным накопителем энергии, производимой альтернативными источниками.

Для того чтобы солнечные батареи работали с ВГУ на одном уровне напряжения, они объединяются в параллельные секции с двумя последовательно включенными панелями, обеспечивающими номинальное выходное напряжение 48 В.  Для предотвращения взаимного влияния друг на друга модулей СБ их параллельное соединение осуществляется через развязывающие диоды.

В комплект ветрогенератора входит контроллер ВГ FKJ-A, который имеет защиту от переполюсовки АКБ, защиту от перегрузки по току (посредствам подключения шунтирующей нагрузки). Контроллер автоматически останавливает ветрогенератор при достижении максимального напряжения АКБ. При необходимости можно воспользоваться ручной блокировкой ветрогенератора.

Помимо этого, в составе комплекса имеется контроллер заряда Tristar MPPT-60. Контроллер реализует интеллектуальный алгоритм накопления энергии, который позволяет в каждый момент времени поддерживать уровень заряда аккумуляторов на максимальной мощности солнечных модулей. Это дает заметное повышение показателей генерации по сравнению с обычными контроллерами при одинаковых погодных условиях. Технология TrackStar-MPPT™ отслеживает точку максимальной генерируемой мощности, учитывая постоянно меняющиеся условия освещения, что обеспечивает максимально эффективную работу СБ в течение всего светового дня. В контроллере TriStar-MPPT также оптимизирован процесс заряда АКБ, что увеличивает срок службы АКБ и улучшает работу всей системы. Самодиагностика и электронная защита от ошибок предотвращает повреждения контроллера при ошибках в установке или функционировании системы. Контроллер также имеет восемь регулируемых переключателей настройки, несколько коммуникационных портов, а также терминалы для дистанционного температурного датчика АКБ и сенсора напряжения АКБ.

Управление, сбор, обработку и передачу  данных в составе комплекса осуществляет контроллер ПЛК160, имеющий ряд стандартных коммуникационных портов, таких как RS-232, RS-485, USB, Ethernet. Наиболее распространенный протокол передачи данных – Modbus. Он может работать как на уровне последовательных линий RS-232/485, так и через сеть Ethernet. С помощью ПЛК осуществляется слежение за датчиками, предоставление доступа к данным по сети, управление всеми составляющими КАЭ посредствам электромагнитных, электронных реле и других исполнительных устройств.

В составе комплекса альтернативной энергии в качестве DС/AC инвертора используется многофункциональный автономный преобразователь напряжения МАП SIN Pro, который позволяет получить на выходе КАЭ переменный ток высокого качества с частотой 50Гц и напряжением 220В. Инвертор способен работать в трех режимах:

1) Увеличение мощности сети за счет энергии АКБ или питание потребителей от АКБ при пропадании сетевого напряжения. В таком режиме преимущество отдается имеющемуся сетевому напряжению, которое используется для питания нагрузки и заряда АКБ. В этом случае инвертор работает как источник бесперебойного питания и стабилизатор сетевого напряжения.

2) "ЭКО" режим: в этом режиме предпочтение отдается источникам альтернативной энергии, а при нехватке их мощности энергия потребляется из сети.

3) Двухтарифный режим: в ночное время предпочтение отдается сети, от которой питается нагрузка и происходит заряд АКБ, в дневное время предпочтение отдается источникам альтернативной энергии с возможностью дополнительного потребления от сети.

Включение в КАЭ дизельного генератора (ДГ) гарантирует бесперебойное электроснабжение в критических ситуациях при разряженном аккумуляторе. В рабочем режиме, когда все составные части комплекса подключены к накопительному аккумулятору,  КАЭ готов к подключению нагрузки.

Комплекс альтернативной энергетики  представляет систему, состоящую из нескольких возобновляемых источников. Значительное влияние внешних факторов (освещенности, скорости ветра, времени суток и т.п.) требует интеллектуального управления  всем комплексом посредством персонального компьютера и специального программного обеспечения. На рис. 5 представлено окно управления, в котором фактически отображена блок–схема КАЭ с основными командами и иконками управления.

Рис. 5 – Окно управления комплексом:

1 - Автомат включения питания от ИСБ QF2; 2 - Автомат включения питания от СБQF1; 3 - Кнопки включения-отключения солнечных модулей по отдельности; 4 - Кнопка включения всех модулей СБ;  5 - Кнопка выключения всех модулей СБ; 6 - Указатель направления и скорости ветра; 7 - Автомат отключения нагрузки QF6; 8 - Автомат отключения ДГ  QF5; 9 - Кнопка перехода в окно архивирования; 10 - Кнопка перехода в окно просмотра графиков и текущих параметров; 11 - Кнопка перехода в окно управления; 12 - Автомат отключения контроллера ВГУ от АКБ  QF3

Программный пакет обеспечивает безопасное включение и выключение энергетического комплекса, совместную и раздельную работу его составляющих, контроль и диагностику эксплуатационных режимов, а так же аварийное отключение и переключение генерирующих источников. Включение и выключение комплекса осуществляется поэтапно, при этом состояние его коммутационных узлов отображается на экране монитора центрального компьютера.

В режиме просмотра доступны четыре поля, воспроизводящие графики и текущие параметры режима (см. рис.6), имеется возможность архивировать данные выбранных величин (см. рис.7).

Рис. 6 – Окно просмотра графиков и текущих параметров:

1 – кнопки выбора отображаемых величин; 2 – панель управления просмотром графика; 3 – панель отображения измеренных величин

Рис. 7 – Окно архивации данных:

1 – кнопки выбора фиксируемых величин; 2 – кнопка «новая запись»

Использование КАЭ выгодно как для потребителей, так и для энергосистемы в целом. К преимуществам использования относятся:

-непосредственное расположение у потребителя, что приводит к уменьшению электрических потерь в сетях;

- возможность режима параллельной работы с сетью;

- короткие сроки ввода в эксплуатацию;

-модульность, мобильность, масштабируемость;

-обслуживание и ремонт в условиях открытой площадки  без  значительных материальных и человеческих ресурсов.

Необходимость использования ветросолнечного комплекса в республике Таджикистан подтверждается тем, что многие населенные пункты чрезмерно удалены и не связаны с объединенной энергосистемой. Большая часть населения проживает в сельской местности и адекватное обеспечение экологически чистой энергией является основой стабильного развития сельских  и горных районов, залогом рационального использования природных ресурсов.

При  отсутствии малых водотоков дефицит электроэнергии может быть компенсирован за счет  энергии солнечной радиации и ветровых потоков. Объединение и конвертирование альтернативных источников в комплекс альтернативной энергии (КАЭ) позволит существенно улучшить электроснабжение удаленных потребителей, снизить тарифы на электроэнергию, устранить дефицит активной мощности в осенне-зимнем периоде.  Внедрение на территории Таджикистана предлагаемого гибридного КАЭ позволит в дальнейшем детально оценить возможности применения подобных систем с учетом метеорологических и природных особенностей различных областей республики, особенно если реализовать его мобильную версию.

Список литературы / References

1. Родионов В. Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего / В.Г. Родионов. – М.:ЭНАС, 2010. – 352 с.
2. Сафорзода А. Х. Характеристика возобновляемых источников энергии республики Таджикистан / A.Х. Сафорзода, Р.В. Солопов // Электроэнергетика, электротехника и теплоэнергетика, математическое моделирование и информационные технологии в производстве: Сборник трудов XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. – 2016. – Т.1. – С. 63-67.
3. Валамат-Заде Т. Энергетика Таджикистана: настоящее и ближайшее будущее / Т.Валамат-Заде // Центральная Азия и Кавказ. – 2008. – №1(55). – С. 104-113.
4. Таджикистан: углубленный обзор энергоэффективности. Секретариат энергетической хартии 2013. – 2013. – 112 с.
5. Республика Таджикистан. Национальная стратегия развития республики Таджикистан на период до 2030 года. – 2016. – 104 с.
6. Министерство энергетики и промышленности Республики Таджикистан [Электронный ресурс] – URL: www.minenergoprom.tj (дата обращения: 07.04.2017).
7. NASA Surface meteorology and Solar Energy [Электронный ресурс] – URL: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov (дата обращения: 07.04.2017).
8. Лукутин Б. В. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями / Б. В. Лукутин, И. О. Муравлев, И. А. Плотников. – Томск: изд-во Томского политехнического университета. –2015. – 128 с.
9. Булычева Е. А. Интеллектуальный комплекс альтернативной энергетики / Е. А. Булычева, Е. М. Петухова, О. А. Фролков//Информационные технологии, энергетика и экономика: Сборник трудов XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. – 2014. – Т.1. – С. 130-136.
10. Булычева Е. А. Интеллектуальное управление УНЛК как шаг к внедрению возобновляемых источников энергии / Е. А. Булычева, Е. М. Петухова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Сборник трудов XXI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. – М.: Издательский дом МЭИ. – 2015. – Т.4. –С. 247.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rodionov V. G. Jenergetika:problemy nastojashhego i vozmozhnosti budushhego [Energy: the problems of the present and possible future] / V.G.Rodionov. – M.:JeNAS, 2010. – 352 p. [in Russian]
2. Saforzoda A. H. Harakteristika vozobnovljaemyh istochnikov jenergii respubliki Tadzhikistan [The characteristics of renewable energy sources of the Republic of Tajikistan] / A.H. Saforzoda, R.V. Solopov // Jelektrojenergetika, jelektrotehnika i teplojenergetika, matematicheskoe modelirovanie i informacionnye tehnologii v proizvodstve: Sbornik trudov XIII Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii studentov i aspirantov [Power engineering, electrical power system, mathematical modelling and information technologies in manufacturing: сollection of works of the XIII International scientific-technical conference of students and postgraduates]. – 2016. – V.1. – P. 63-67. [in Russian]
3. Valamat-Zade T. Jenergetika Tadzhikistana: nastojashhee i blizhajshee budushhee [Energy of Tajikistan: present and future] / T. Valamat-Zade // Central'naja Azija i Kavkaz [Central Asia and the Caucas]. – 2008. – №1(55). – P. 104-113. [in Russian]
4. Tadzhikistan: uglublennyj obzor jenergojeffektivnosti. Sekretariat jenergeticheskoj hartii 2013 [Tajikistan: in-depth review of energy efficiency. The energy Charter Secretariat 2013]. – 2013. – 112 p. [in Russian]
5. Respublika Tadzhikistan. Nacional'naja strategija razvitija respubliki Tadzhikistan na period do 2030 goda [The Republic of Tajikistan. The national development strategy of the Republic of Tajikistan for the period up to 2030]. – 2016. – 104 p. [in Russian]
6. Ministerstvo jenergetiki i promyshlennosti Respubliki Tadzhikistan [The Ministry of energy and industry of the Republic of Tajikistan] [Electronic resource] – URL: www.minenergoprom.tj (accessed: 07.04.2017). [in Russian]
7. NASA Surface meteorology and Solar Energy [Electronic resource] – URL: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov (accessed: 07.04.2017)
8. Lukutin B.V. Sistemy jelektrosnabzhenija s vetrovymi i solnechnymi jelektrostancijami [Electricity system with wind and solar power plants] / B.V.Lukutin, I.O. Muravlev, I. A. Plotnikov – Tomsk: izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta. – 2015. – 128 p. [in Russian]
9. Bulycheva E. A. Intellektual'nyj kompleks al'ternativnoj jenergetiki [An intelligent complex of alternative energy] / E. A. Bulycheva, E. M. Petuhova, O. A. Frolkov // Informacionnye tehnologii, jenergetika i jekonomika: Sbornik trudov XI Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii studentov i aspirantov [Information technology, energy and the economy: сollection of works of the XI International scientific-technical conference of students and postgraduates]. – 2014. – V.1. – P. 130-136. [in Russian]
10. Bulycheva E. A. Intellektual'noe upravlenie UNLK kak shag k vnedreniju vozobnovljaemyh istochnikov jenergii [Intelligent control UNLC as a step towards the implementation of renewable energy] / E. A. Bulycheva, E. M. Petuhova // Radiojelektronika, jelektrotehnika i jenergetika: Sbornik trudov XXI Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii studentov i aspirantov [Electronics, electrical and power engineering: сollection of works of the XXI International scientific-technical conference of students and postgraduates]. – M.: Izdatel'skij dom MJeI. – 2015. – V.4. –P. 247. [in Russian]