Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей Краснодарского края за счет возобновляемых источников энергии

Введение. Человечество потребляет огромное количество электроэнергии, часть которой идет на снабжение сельского хозяйства. Происходит сжигание миллиардов тонн топлива, что оказывает огромное влияние на экологию. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволит сохранить запасы полезных ископаемых и повлиять на экономическую сторону аграрной промышленности.

Электроснабжение в сельском хозяйстве, и в частности электроснабжение теплиц, играет очень важную роль: оно позволяет повышать эффективность производства и влиять на экономическую выгоду. Теплицы создают максимально комфортные условия для выращивания различных культур, и такой фактор как сезонность не влияет на их выращивание. Поэтому необходимо совершенствовать электроснабжение в агропромышленном производстве, рационально использовать возобновляемые природные ресурсы и совершенствовать технологию их использования.

Мировой опыт использования ВИЭ и их характеристика. Во всем мире ВИЭ становятся неотъемлемой частью электроснабжения в сельском хозяйстве и других отраслях. Однако этого нельзя сказать о Краснодарском крае, в котором, в свою очередь, продвижение и развитие новых энергетических технологий происходит медленно.

Говоря о возобновляемых источниках энергии, подразумеваются, прежде всего, источники энергии воды, солнца и ветра, которые наиболее рациональны для применения в Краснодарском крае [1, 2].

Остальные виды ВИЭ не оправдывают в полной мере свое применение на территории края, например кинетическая энергия морей и океанов недостаточно перспективна, потому что электростанциями этого типа являются особого вида гидроэлектростанции, использующие энергию приливов, а фактически кинетическую энер гию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующей электростанцией.

Строительство подобной электростанции нерентабельно в Краснодарском крае вследствие малых приливов и отливов. Строительство данной установки очень затратное, и её работа возможна только в единой системе с другими станциями, так как мощность данной станции изменяется в течение суток.

Рассматривая энергетику и сельское хозяйство, можно сказать, что за счет энергии ветра и солнца можно обеспечить 10-15% всей потребности электроэнергии в сельском хозяйстве [3].

Солнечная энергетика - это отрасль энергетики, использующая солнечную радиацию для преобразования эле про магнитно го солнечного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Солнечные электростанции {СЭС) используют энергию Солнца как напрямую (фотоэлепрические СЭС, работающие на явлении внутреннего фотоэффекта), так и косвенно, используя кинетическую энергию пара.

К СЭС косвенного действия относятся:

• -    Башенные системы, которые концентрируют энергию Солнца гелиостатами на приемнике, наполненном теплоносителем, который расположен на вершине центральной башни.

• -    Модульные СЭС, состоящие из множества отдельных элементов-концентраторов. Теплоносителем в таких системах, как правило,

является масло, которое подводится к приемнику в фокусе каждого зеркального концентратора и затем передает тепло воде, испаряя её.

• -    Солнечные пруды - представляющие собой небольшие бассейны глубиной в несколько метров и имеющие многослойную структуру. Верхний (конвективный) слой - это пресная вода, затем ниже располагается градиентный слой с увеличивающейся книзу концентрацией рассола, а в самом низу - слой высококонцентрированного рассола. Дно и стенки покрыты чёрным материалом для лучшего поглощения тепла. Нагрев происходит в нижнем слое, так как рассол имеет более высокую по сравнению с пресной водой плотность, которая увеличивается при нагреве из-за улучшения растворимости соли в горячей воде. Конвективного перемешивания слоёв не происходит благодаря разности плотностей, и рассол может нагреваться до 100 °C и более [5].

Крупнейшая фотоэлектрическая СЭС Topaz Solar Farm находится в штате Калифорния (США). Общая установленная мощность Topaz Solar Farm составляет 550 МВт. Для генерации электричества используется 9 миллионов тонкослойных фотоэле стрических модулей. Строительство и производство фотоэлектрических модулей осуществляется американской компанией First Solar [5].

Что касается энергосистемы России, то использование СЭС пока является экзотической технологией. Доля установленной электрической мощности солнечных электростанций единой электрической сети России на 1 января 2017 года составляет 0,03% (75,5 МВт) от установленной мощности электростанций энергосистемы. После 2014 года в энергосистему России добавились еще 13 СЭС Крыма общей установленной мощностью 289,5 МВт, что увеличило долю солнечной энергетики в общем энергобалансе страны до 0,15% [6].

Использование ВИЭ в Краснодарском крае. На территории Краснодарского края находится небольшое количество автономных солнечных электростанций, не включенных в общую энергосистему, установленная мощность которых не превышает суммарно 1 МВт [7].

Однако малая распространенность - не показатель неэффективности технологии. Краснодарский край, не уступающий по климатическим условиям Крыму, является перспективным регионом для строительства СЭС, так как ана лиз показывает, что 50% времени в году в Краснодарском крае средняя облачность составляет 55%. а прямое излучение солнца - свыше 2 кВт/м2 [8].

Ветроэнергетика - это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, тепловую и любую другую форму энергии для использования в народном хозяйстве. Преобразование происходит с помощью ветрогенератора (для получения электричества), ветряных мельниц (для получения механической энергии) и многих других видов агрегатов. Энергия ветра является следствием деятельности солнца, поэтому она относится к возобновляемым видам энергии.

Строительство ветроэлектрических станций (ВЭС) можно считать одним из самых перспективных вариантов для Краснодарского края. Городами, подходящими для строительства таких станций, являются: Анапа, Темрюк, Новороссийск, Геленджик и Ейск. Эти города имеют развитую инфраструктуру, дорожно-транспортную структуру, что позволяет без труда и лишних затрат доставить все необходимое оборудование для сооружения станций. Также вышеуказанные города соответствуют по ряду локальных факторов (рельеф местности, близость к водоемам, наличие затеняющих элементов). Основной причиной для строительства ВЭС должен стать среднегодовой поток ветра. Рассматриваемые города, несомненно, проходят по данному критерию, о чем говорит приведенный ниже рисунок. Заметим, что «золотым» порогом ветроэнергетики считается скорость ветра 5 м/с -это связано с окупаемостью станций [9].

Помимо традиционных (крыльчатых) схем ВЭС существуют и другие их виды.

Одно из преимуществ карусельных (роторных) ВЭС с вертикальной осью вращения состоит в том, что они работают при любом направлении ветра. Также необходимо заметить, что данные ВЭС тихоходны и не создают сильного шума.

В роторных ВЭС используются многополюсные электрогенераторы, которые работают на малых оборотах, и это позволяет применять простые электрические схемы, что защищает от аварии при сильном порыве ветра.

Относительно новыми разработками в этой области являются плавающие ветровые электростанции - плавающие турбины. Первая такая турбина была установлена в 2007 году. Данные турбины устанавливаются на глубину 100 метров или выше.

Также существует парящая ветровая электростанция, которая парит в воздухе на высоте около 300 метров.

При использовании ВЭС имеются такие недостатки, как шум и вибрации, но самым су щественным является влияние станции на климат. Ветрогенераторы изымают часть энергии движущихся воздушных масс, вследствие чего их скорость уменьшается. Существенное воздействие может произойти только при массовом строительстве ВЭС и влиять на климатические условия как локально, так и глобально.

Распределение среднегодовой скорости ветра по территории Краснодарского края

Снижение скорости воздушных масс делает климат со стабильно жарким летом, морозной зимой и малым количеством осадков континентальным. Это происходит вследствие усиления нагрева воздуха летом и охлаждения зимой из-за его малой скорости прохождения [Ю].

У всех источников энергии есть свои недостатки, у рассматриваемых СЭС и ВЭС они также присутствуют. Солнечная энергия является дорогой в установке, а ветроэнергетика нестабильна в связи с непостоянством ветра. Основным источником в данной системе является ВЭС, так как он дешевле солнечных панелей. СЭС «спасают» данную систему в длительную безветренную погоду.

Рассмотрев и проанализировав оба варианта станций на основе возобновляемых источников энергии, можно с уверенностью сказать, что использование их в единой системе электроснабжения позволит повысить мощность и эффективность данной станции.

Так как неотъемлемой частью сельского хозяйства являются теплицы, то применение

ВИЭ для их энергоснабжения будет выгодно и эффективно. Теплицы способны производить овощи, фрукты и другую сельскохозяйственную продукцию круглый год, поэтому внедрение ВИЭ в их структуру окажет наибольшее влияние на сельское хозяйство.

Данная система применима в теплицах гидропонного типа, в которых, помимо электроснабжения помещения, необходимо также производить подогрев подаваемой воды. В теплице будут использованы солнечные пластины, устанавливаемые непосредственно на крыше теплицы и номинально осуществляющие нагрев подаваемой воды. Также в системе будет присутствовать ветрогенератор, который должен располагаться как можно ближе к объекту и осуществлять нагрев помещения теплицы за счет преобразования кинетической энергии воздушных масс. Немаловажным фактором должна быть взаимозаменяемость двух составляющих станции в зависимости от погодных условий [11].

Выводы. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что использование возобновляемых источников энергии в Краснодар- ском крае и других регионах целесообразно в комбинированном варианте, чтобы данная система была взаимозаменяемой. Но учитывая возможности нашей страны и края в отношении ресурсов, схему можно сделать гибридной, т.е. добавить внешнюю сеть, чтобы полностью избежать перебоев в аварийных ситуациях и увеличить экономическую выгоду за счет применения возобновляемых ресурсов.