РОЛЬ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РАЗВИТИИ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

РОЛЬ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РАЗВИТИИ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Научная статья

Музаев А.К.*

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственного технологического университета), Владикавказ, Россия

* Корреспондирующий автор (alexandr.muzaev[at]mail.ru)

Аннотация

Горные территории отличаются, с одной стороны, наличием большого количества возобновляемых источников энергии (солнечные лучи, ветер, горные реки) и, с другой стороны, острой необходимостью их использования, особенно в горных поселениях, где отсутствует централизованное энергообеспечение. Использование ВИЭ в таких поселениях избавит от необходимости ввоза и применения дорогостоящего и экологически вредного традиционного топлива, создаёт условия для развития индивидуальных фермерских хозяйств и т.п. Описаны принципы практической реализации генераторных энергоустановок, использующих ВИЭ различного типа, их особенности и перспективы применения. Показана определяющая роль использования ВИЭ для устойчивого развития горных территорий.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, горные территории, солнечные батареи, ветроустановки, микрогидрогенераторы, индивидуальные объекты, энергообеспечение, экология.

ON THE ROLE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN THE DEVELOPMENT OF MOUNTAIN AREAS

Research article

Muzaev A.K.*

North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Vladikavkaz, Russia

* Corresponding author (alexandr.muzaev[at]mail.ru)

Abstract

On the one hand, mountain territories are notable for the presence of a large number of renewable energy sources (solar rays, wind, mountain rivers), on the other hand, they are distinguished by an urgent interest for their use, especially in mountain settlements where there is no centralized energy supply. The use of renewable energy in such settlements will eliminate the need to import and use expensive and environmentally harmful traditional fuels, create conditions for the development of individual farms, etc. The article describes the principles of practical implementation of generator power plants using RES of various types, their characteristics, and prospects of application. Also, the study demonstrates the determining role of using RES for the sustainable development of mountain areas.

Keywords: renewable energy sources, mountain areas, solar panels, wind turbines, microhydrogenerators, individual facilities, energy supply, ecology.

Роль использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для развития цивилизации в целом неоспорима [1], [2], [3]. Для устойчивого развития горных территорий применение ВИЭ имеет особо важное значение [4], [5].

Применение ВИЭ в горных условиях реализуется по двум основным направлениям:

1. Автономное энергоснабжение индивидуальных объектов бытового типа (жилых домов, ферм, коттеджей, энергопотребителей турбаз и т.д.)
2. Автономное питание неподключенных к электрическим сетям малоэнергоёмких промышленных потребителей, к которым можно отнести:

- пункты дистанционного (удалённого) мониторинга различных параметров окружающей среды (загрязнения воздуха, воды и т.д.), автономные метеостанции, станции контроля уровня воды и т.д.

- коммуникационные системы (ретрансляторы, мобильные радиосистемы, телефонные сети, автономные системы контроля и управления и т.д.)

- сигнальные устройства (дорожные знаки, освещение разделительных барьеров на горных дорогах; огни безопасности на ЛЭП и т.д.)

- водонасосные установки (для подъёма питьевой воды, для ирригационных целей в сельском хозяйстве и т.п.)

Кроме перечисленных объектов энергию возобновляемых источников можно будет использовать в будущем на промежуточных электрозарядных станциях для подзарядки аккумуляторных батарей электромобилей, для использования в геоинформационных системах и т.д.

Использование для энергоснабжения перечисленных объектов как первого, так и второго направлений традиционного топлива приведёт не только к повышению материальных затрат, но и к эксплуатационным трудностям и ухудшению экологической обстановки горных местностей.

Можно выделить следующие, характерные для горных условий возобновляемые источники энергии (ВИЭ): солнце, горные реки, ветер. Для некоторых районов возможно также использование геотермальных вод. Основным преимуществом ВИЭ по сравнению с другими источниками энергии является сам факт их неисчерпаемости. Запасы ископаемых топлив, в частности, в горных районах ограничены, а, значит, с течением времени их стоимость будет возрастать. Запасы возобновляемой энергии в горных условиях более чем достаточны для удовлетворения энергетических потребностей региона [6].

Наиболее просто в большинстве случаев можно реализовать использование солнечной энергии, в частности, для получения тепла и последующего горячего водоснабжения. Солнечные водонагревательные установки (солнечные коллекторы) особенно широко распространены в странах с жарким климатом (например, в Израиле законодательно закреплено требование, чтобы каждый дом был оснащён солнечной водонагревательной установкой).

Однако, проведённые широкие исследования поступления солнечной энергии на территорию России показали, что почти для всех регионов страны, особенно для Ростовской области, Краснодарского края, Республики Дагестан и т.д. применение солнечных водонагревательных установок оправдано.

Учитывая простоту конструкции солнечных коллекторов, их высокую экологичность, можно предположить, что в ближайшее время они найдут широкое применение и на Северном Кавказе, тем более что там достаточно солнца даже в зимнее время. Достаточный практический интерес представляет также использование солнечных коллекторов в сочетании с тепловыми насосами.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую можно использовать как термодинамические методы, так и непосредственное преобразование с помощью солнечных батарей. Термодинамические методы предполагают использование концентраторов солнечной радиации, сложных устройств слежения за солнцем и обычно реализуются в виде достаточно мощных электрических станций в странах так называемого солнечного пояса (Египет, Мексика и т.п.).

Фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи) используют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение и, хотя и снабжаются иногда дополнительными отражателями, направляющими лучи солнца на плоскость солнечной панели, но не имеют дорогостоящих концентраторов и специальных устройств слежения за положением солнца; могут быть реализованы в довольно малом диапазоне мощностей.

Солнечные батареи могут непосредственно встраиваться в конструкцию объекта, потребляющего генерируемую ими энергию (крыши так называемых солнечных домов). Многие страны на государственном уровне поддерживают использование ВИЭ, в частности, применение солнечных панелей (национальные программы «100 тыс. солнечных крыш» в Германии, «100 тыс. солнечных крыш» в Японии, «1 млн солнечных крыш» в США).

Применение установок, использующих преобразование энергии ВИЭ в электрическую сравнительно небольшой мощности (единицы кВт и более), представляет сегодня практические единственную возможность приобщить население труднодоступных высокогорных районов, не подключённых к централизованной электрической сети, к современной цивилизации.

Для электроснабжения малоэнергоёмких потребителей в условиях горных территорий могут с успехом использоваться горные реки. Россия имеет очень большой энергетический потенциал малых рек. Общее число малых рек в стране превышает 2,5 млн, их суммарный сток превышает 1 000 км³ в год. Оценивая суммарные энергетические возможности малых рек, можно сказать, что, используя современные доступные средства, на малых ГЭС России (мощностью приблизительно от 100 кВт до 10 МВт) можно производить около 500 млрд кВт·ч электроэнергии в год.

Энергетические ресурсы основных рек РСО – Алания можно охарактеризовать данными, представленными в табл. 1 [6].

 

Таблица 1 – Распределение основных рек по размерам потенциальной мощности РСО – Алания

Интервалы мощностей, тыс. кВт	Число рек	Суммарная длина, км	Суммарная мощность, тыс. кВт	% от итога	Удельная мощность, кВт/км
до 1,7	37	362,7	21,6	0,9	59
1,7 – 5	15	322,0	70,8	3,0	219
5 – 10	13	193,1	130,0	5,5	673
10 – 50	14	362,1	432,5	18,1	1 194
более 50	5	513,6	1 729,9	72,5	3 368
ИТОГО:	84	1 953,5	2 384,8	100	5 513

 

Наиболее приемлемым способом использования энергии горных рек является строительство рукавных микроГЭС. Конструктивно рукавная микроГЭС состоит из энергоблока, блока управления, блока возбуждения, блока нагрузки и рукавного водовода. Применение рукавного водовода позволяет расположить микроГЭС в наиболее удобном для потребителя месте.

Конструктивно энергоблок обычно выполняется в виде металлической рамы, на которой располагаются направляющий аппарат, двухкратная турбина и электрический генератор. На этой же раме смонтированы блок управления, блок возбуждения и балластных нагрузок. Водовод состоит из водозаборного устройства, устроенного в верхней части реки, переходного устройства и напорных рукавов (или труб), подающих воду в энергоблок. После энергоблока вода возвращается в своё обычное русло.

Основные технические характеристики некоторых выпускаемых в России рукавных микроГЭС приведены в табл. 2 [7].

 

Таблица 2 – Основные технические характеристики рукавных микроГЭС

Параметры	Наименование
	Луч-1	Луч-2	Луч-4	Луч-10
Мощность, кВт	1,0	2,0	4,0	10,0
Род тока	Однофазный	Однофазный	Трёхфазный	Трёхфазный
Напряжение, В	220	220	380	380
Частота, Гц	50	50	50	50
Масса энергоблока, кг	60	92	110	180
Габаритные размеры, мм	700х385х485	850х500х490	970х610х540	1 155х850х750
Расход воды, л/с	40	50	85	145
Рабочий напор, м	5	6,5	8,5	10,0
Диаметр водовода, мм	150	180	210	270
Цена, тыс. рубл	50,4	90,7	172,9	390,0

В соответствии с требованиями потребителя можно выбрать и внедрить соответствующую рукавную микроГЭС. В горных условиях при наличии большого количества малых рек применение рукавных микроГЭС может решить проблему энергоснабжения горных поселений, дачных посёлков, фермерских хозяйств, небольших (малоэнергоёмких) производств различного назначения, находящихся в отдалённых горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач.

Помимо использования солнечной энергии и энергии малых рек в горных условиях имеются широкие возможности для использования ветровой энергетики. Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и для частного пользования. Современная ветроэнергетика интенсивно развивается в обоих направлениях.

Мощные ветроэнергетические установки обычно реализуются в виде ветровых ферм и работают совместно с сетью. Причём при благоприятных характеристиках ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой фермой приближается к её стоимости на топливных электростанциях.

Отечественные разработки в области мощных сетевых ветроустановок отстают от зарубежных. В отличие т производства крупных ветроустановок в России имеется довольно развитая производственная база по выпуску автономных ветроустановок малой мощности: от 0,04 до 16 кВт (в том числе ветродизельных агрегатов), что очень важно для обеспечения автономного энергоснабжения потребителей, не подключённых к централизованным сетям.

Однако, энергообеспечение исключительно ветрогенераторами индивидуальных объектов, например, жилого дома, конструктивно представляет собой довольно сложную задачу (ветровое колесо соответствующей мощности должно иметь в диаметре около 20 м). Решением проблемы является совместное использование генераторов возобновляемой энергии различного типа (например, ветрогенератор и солнечные батареи) или дополнительные системы энергообеспечения дополнительными генераторами (например, дизель-генератором), работающими на традиционном топливе.

Разработки гибридных установок, использующих энергию ВИЭ различного типа, является перспективным направлением развития возобновляемой энергетики, особенно для горных условий, где, как правило, есть возможность использования энергии ветра, солнца и горных рек.

Заканчивая краткий обзор энергетических возможностей использования ВИЭ горных территорий, в частности, РСО – Алания, можно констатировать следующее:

- Горные территории, как правило, обладают достаточным энергетическим потенциалом ВИЭ: солнце, горные реки, ветер.

- Разнообразные и доступные источники возобновляемой энергии горных и предгорных территорий РСО – Алания в настоящее время практически не используются за исключением небольшого числа относительно крупных гидроэлектростанций (Гизельдон ГЭС, Эзмин ГЭС, ДзауГЭС);

- Автономные энергетические установки на ВИЭ малой мощности (до десятков кВт) внедряются на объектах республики в единичных экземплярах;

- Для энергообеспечения не подключённых к централизованным электрическим сетям объектов (в частности, поселений), расположенных в труднодоступных горных районах, использование ВИЭ является практически единственным эффективным, экономически выгодным, экологически чистым способом, обладающим существенными преимуществами по сравнению с применением привозного традиционного топлива;

- Применение ВИЭ имеет также важное социальное значение, т.к. с развитием возобновляемой энергетики в горных регионах возрастает занятость населения, возникает необходимость в выпуске новых специалистов, повышении уровня грамотности населения и т.д. Внедрение ВИЭ должно поддерживаться (как это делается в большинстве развитых стран мира) на общегосударственном уровне как в отношении финансирования, так и в отношении разработки соответствующей законодательной базы, направленной на поддержку внедрения ВИЭ, в частности, в горных провинциях.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Энергоснабжение: учеб, пособие / Е.А. Блинов, С.И. Джаншиев, Г.З. Зайцев и др. - СПб.: СЗТУ, 2006.
2. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб.-метод, комплекс / сост. В.Г. Лабейш - СПб.: СЗТУ, 2007.
3. Попель О.С. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы / О.С. Попель // Энергосовет. -2011. - №5.
4. Попель О.С. Перспективы развития возобновляемых источников энергии для локального энергоснабжения / О.С. Попель // Атомная энергия. -2011. - №5.
5. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра: статья / П. П. Безруких // Электрические станции: Ежемесячный произв.-техн. журнал. - М.: Энергопрогресс, 2005. - N - С.35-47.
6. Научные труды вольного экономического общества россии том сто пятьдесят третий Устойчивое развитие горных территорий (На примере РСО-А) И.К. Хузмиев Энергетические ресурсы РСО-Алания, с. 80.
7. Германович В. Альтернативные источники энергии и энергосбережение / В. Германович, А. Турилин. М: Наука и Техника, 2014 г., С. 320

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ehnergosnabzhenie: ucheb, posobie [Energy Supply: A Textbook] / E. A. Blinov, S. I. Dzhanshiev, G. Z. Zaitsev et al. - St. Petersburg: NWTU, 2006. [in Russian]
2. Netradicionnye i vozobnovljaemye istochniki ehnergii: ucheb.-metod, kompleks [Unconventional and Renewable Energy Sources: Studies: A Manual] / Compiled by V. G. Labeish-St. Petersburg: NWTU, 2007 [in Russian]
3. Popel O. S. Vozobnovljaemye istochniki ehnergii v regionakh Rossijjskojj Federacii: problemy i perspektivy [Renewable Energy Sources in the Regions of the Russian Federation: Problems and Prospects] / O. S. Popel // Energosovet. -2011. - №5 [in Russian]
4. Popel O. S. Perspektivy razvitija vozobnovljaemykh istochnikov ehnergii dlja lokal'nogo ehnergosnabzhenija [Prospects for the Development of Renewable Energy Sources for Local Energy Supply] / O. S. Popel // Atomnaya energiya [Atomic Energy]. -2011. - №5 [in Russian]
5. Bezrukikh P. P. Vozobnovljaemaja ehnergetika: vchera, segodnja, zavtra: stat'ja [Renewable Energy: Yesterday, Today, Tomorrow: Article] / P. P. Bezrukikh // Ehlektricheskie stancii: Ezhemesjachnyjj proizv.-tekhn. zhurnal [Electric Stations]. - M.: Energoprogress, 2005. - N2, pp. 35-47 [in Russian]
6. Ehnergeticheskie resursy RSO-Alanija [Energy Resources of North Ossetia–Alania Republic] / I. K. Khuzmiev // Nauchnye trudy vol''nogo ehkonomicheskogo obshhestva rossii tom sto pjat''desjat tretijj [Scientific Works of the Free Economic Society of Russia Volume One Hundred and Fifty-Three. Sustainable Development of Mountain Territories (Based on the North Ossetia–Alania Republic)], p. 80 [in Russian]
7. Germanovich V. Al'ternativnye istochniki ehnergii i ehnergosberezhenie [Alternative Energy Sources and Energy Conservation] / V. Germanovich, A. Turilin. M: Science and Technology 2014, p. 320 [in Russian]