Среди важных проблем, которые сегодня беспокоят каждого из нас, а именно: глобальное потепление климата, нехватка питьевой воды на планете, неизлечимые болезни, — проблемой номер один является энергообеспечение жизнедеятельности человека. Возникает своеобразный парадокс: чем быстрее исчерпываются запасы газа, нефти, угля, тем больше человечество их потребляет. Каков выход для Украины?
Прогрессивные трансформации в обществе и природе невозможны без постоянных энергетических затрат. Ни один вид человеческой деятельности не может осуществляться без использования различных форм энергии. Наименьшая угроза в обеспечении энергией приводит к росту цен и пессимистических прогнозов относительно дефицита энергосырья в будущем. Торговля энергоносителями по объему превышает все другие статьи, ведь энергия в виде топлива служит для поддержания упорядоченности мира: транспорта, строительства, сельского хозяйства, промышленности.
Для Украины актуальной проблемой является необходимость уменьшить энергетические затраты, включая затраты природного газа, в свою очередь, ставит на грань выживания ряд отраслей народного хозяйства. Именно поэтому внедрение альтернативных источников энергии предоставляет Украине возможность решить проблему энергосбережения. Ведь альтернативная энергетика — это энергетика, базирующаяся на использовании возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, ветровой, энергии биомассы, а также энергии приливов и отливов.
В отличие от традиционной энергетики, использующей уголь, нефть, газ и является одним из основных источников загрязнения окружающей среды, альтернативную энергетику условно относят к экологически чистого вида энергии. В условиях обострения проблемы обеспечения человечества энергетическими ресурсами, а также сложной экологической ситуации вопросы развития альтернативной энергетики приобретают особую актуальность в мире.
Необходимость использования возобновляемых источников энергии определяется такими факторами:
- быстрый рост потребности в электрической энергии, потребление которой через 50 лет, по некоторым оценкам, вырастет в среднем в 3–4 раза;
- истощением в ближайшем будущем разведанных запасов органического топлива;
- загрязнением оксидами азота и серы, углекислым газом, пылевидными остатками от сжигания ископаемого топлива, радиоактивным загрязнением.
В Украине целесообразно развивать и ветроэнергетическая отрасль, базирующаяся на использовании энергии ветра и превращении ее в механическую, тепловую, химическую или электрическую. Ветер является экологически чистым возобновляемым источником энергии. Для того, чтобы строительство ветроэлектростанции стало экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее шести метров в секунду.
В нынешнюю эпоху высоких цен на топливо можно считать, что ветродвигатели окажутся конкурентоспособными по цене и смогут участвовать в удовлетворении энергетических потребностей страны.
Украина имеет благоприятные природно-климатические условия для развития солнечной энергетики и собственные мощности производства по выпуску монокристаллического кремния для фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).
Не стоит забывать и о солнечной энергетике, популярную и востребованную отрасль возобновляемых источников энергии развитых государств мира. В ее основе — преобразования энергии солнечного излучения в другие виды энергии, прежде всего тепловую и электрическую.
По прогнозам аналитиков, стоимость 1 кВт ∙ ч солнечной электроэнергии в мире сравняется со стоимостью традиционной электроэнергии не позднее 2015 года, а к 2020 году солнечная энергетика, вероятно, может стать ведущей отраслью.
Преимущества возобновляемых источников энергии (ВИЭ) по сравнению с традиционными:
1) они практически неисчерпаемы;
2) не загрязняют окружаемую среду;
3) отпадает необходимость в добыче, переработке и доставке топлива;
4) нет необходимости использовать воду для охлаждения;
5) нет необходимости в дефицитных высокотемпературных материалах, за исключением солнечных концентраторов тепла;
6) могут работать без обслуживания;
7) нет необходимости в транспортировке энергии.
Основным недостатком большинства ВИЭ непостоянство их энергетического потенциала.
Поскольку нам необходимо использовать несколько автономных источников энергии, то необходимо обеспечить их параллельную работу между собой таким образом, чтобы энергия от солнечной батареи (СБ) и ветроэлектрической установки (ВЭУ) использовалась максимально. Для этого в систему предлагается ввести устройство отбора максимальной мощности от возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В качестве устройства можно использовать широтно-импульсный преобразователь (ШИП).
Использование АКБ дает не только возможность обеспечить стабильное и эффективное электроснабжение, а также повышает коэффициент использования ВИЭ за счет накопления избыточной энергии и передачей ее к потребителю.
Как и любой другой прибор, АКБ имеет свои показатели эффективности работы, основными из которых являются:
1) долговечность;
2) напряжение АКБ;
3) емкость;
4) коэффициент отдачи;
5) коэффициент полезного действия;
6) саморазряд за определенный период;
7) способность к хранению;
8) влияние на оборудование и обслуживающий персонал;
9) так называемый «эффект памяти» АКБ.
Рассмотрим условия работы ШИП на примере солнечных батарей. ШИП повышающего типа при отключенной АКБ приведены на рис. 1.
Рис. 1 Функциональная схема устройства отбора максимальной мощности
Учитывая, что нагрузка может меняться путем управления, выходной ток СБ I можно менять, изменяя ток заряда АКБ Iа. CБ в системе, рассматривается (рис. 1), характеризуется ЭДС Е, меняется при изменении освещенности Ф, внутренним сопротивлением Ri и выходным током I. ШИП выполняет роль устройства отбора максимальной мощности, изменяя коэффициент заполнения импульсов. Для упрощения нагрузка принята чисто активной. АКБ характеризуется таким параметрам, как напряжение на выводах АКБ Еа, внутреннее сопротивление Rа, зарядный ток Iа.
Рассмотрим систему с ШИП повышающего типа при отключенной АКБ на рис.1. Дифференциальные уравнения, описывающие процессы в схеме с ШИП при замкнутом и разомкнутом ключе S имеют вид:
а) 
б) 
,
где Е — ЕДС солнечной батареи, Ri — внутреннее сопротивление солнечной батареи, RH — сопротивление нагрузки.
Энергия на выходе СБ будет определяться таким выражением:
На рис. 2 показано систему отбора энергии от СБ и ВЭУ на основе ШИП повышающего типа. Для моделирования системы при подключении АКБ последовательно с сопротивлением нагрузки подключается ЭДС Ех, отображающая напряжение АКБ.
Рис. 2. Модель системы отбора максимальной мощности в Simulink MatLab
Полученные вероятностные функции электропотребления и производства энергии, дают возможность установить некоторую взаимосвязь между процессом электроснабжения и электропотребления. Это позволит определить диапазоны изменения входных параметров объекта управления и разработать САУ процессом электроснабжения от автономных источников энергии.
Литература:
1. Перетворювальна техніка. Підручник. 4.2 / Гончаров Ю. П. та ін. [за ред. Руденка В. С.] — Харків: Фоліо, 2000. -360 с.
2. РуденкоВ. С. Основи преобразовательной техники / Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И. М. — М.: Высшая школа, 1980, — 424 с.
3. Голик О. П. Автоматизована система керування автономним енергопостачанням на основі комбінованих вітро-сонячних установок / О. П. Голик, Р. В. Жесан // Відновлювана енергетика. — 2010. — № 4 (23). -С. 20–22.
4. Каплун В. В. Надійнісно-вартісний аналіз комбінованих автономних систем електроживлення з поновлюваними джерелами енергії / В. В. Каплун, В. Козирський // Матеріали IX міжнародної конференції «Відновлювана енергетика XXI століття», Крим. — 2008. — С. 58–62.
5. Голик О. П. Аналіз основних характеристик електрохімічних акумуляторів, що впливають на можливість та ефективність їх використання в автоматизованих системах енергопостачання автономного споживача на основі відновлювальних джерел енергії / О. П. Голик, Р. В. Жесан, В. О. Дудник // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» / Вип. 73. Т. 1. — Харків: ХНТУСГ, 2008. -120–127.
