Исследование  отечественного и  международного рынков 
АСОО

    Автономные  системы улично-дорожного освещения  находят все более широкое  применение в мире. Безусловными лидерами на мировом рынке автономных систем улично-дорожного освещения являются китайские компании. Интернет переполнен предложениями различных систем автономного питания уличных осветительных приборов (street lighting, LED Solar street lighting), охватить которые в полном объеме не представляется возможным и целесообразным.

    Автономные  системы дорожного освещения на базе ФЭП предлагаются и на российском рынке (компании ООО «Солнечный ветер», http://sunbreeze.ru; Monowai Energy, http://www.monowai.ru; «Первая Энергосберегающая Компания», http://lustom-kaluga.ru; «Наносвет», www.nanosvet.ru; «Новые энергетические технологии», www.aetechnologies.ru; «Чистая энергия» http://wind.shop.by/98/122/126; Астон инжиниринг, http://astoneng.com.ua; «Главгараж», http://glavgarazh.at.ua; ООО «Флай-тек», http://fly-tech.com.ua; Торговый дом «Алиста», http://www.alista.com.ua и др.

    Компания  «Новые энергетические технологии»  реализовала крупный проект по автономному освещению нескольких километров автотрассы в Белгородской области (рисунок 6.1) и планирует развивать коммерческую деятельность в этом направлении далее. Известны попытки дорожных компаний создать автономные светофоры, солнечные парковые фонари и автономное освещение автобусных остановок и ж/д платформ находят применение на юге России.

Рисунок 6.1 – Автономное освещение участка автотрассы в Белгородской области 

    Следует, вместе с тем, отметить, что на рынке  предлагаются, в основном, системы  с автономным электропитанием от фотоэлектрических преобразователей, которые, как было показано на предыдущих этапах работы [1, 2], отвечают требованиям гарантированного освещения в районах со средними и высокими широтами не в полной мере. Можно повториться, что основная причина – недостаток ресурсов солнечной энергии в зимнее время для обеспечения работы осветительных приборов в длинные зимние ночи. Проблему гарантированности электропитания от ФЭП в течение всей ночи, как правило, невозможно решить ни за счет увеличения до разумных значений установленной мощности ФЭП, ни за счет увеличения емкости аккумуляторной батареи.

    Проведенный опрос ответственных представителей компаний, предлагающих автономные системы освещения с ФЭП в России, показал, что они не располагают объективными данными по показателю гарантированности электропитания осветительных приборов, признавая, что в зимнее время, скорее всего, их системы надежно работать не будут. Комплектация установок ФЭП и аккумуляторными батареями с учетом мощности осветительного прибора осуществляется без должных обосновывающих расчетов установленной мощности ФЭП и емкости АКБ.

    В этой связи с учетом результатов  теоретических исследований в рамках настоящей работы основное внимание было уделено изучению поставщиков систем автономного уличного освещения, использующих в качестве первичного источника энергии ВЭУ или комбинацию ВЭУ и ФЭП. Поставщиков таких установок на мировом и российском рынке существенно меньше.

    Среди таких компаний, действующих на российском рынке, можно назвать компании «Солнечный ветер», «Наносвет», «Астон Инжиниринг», «Флай-Тек» и «Алиста». Среди зарубежных ниболее интересна китайская компания «Shanghai Solar and New resource Tech. Co. Ltd», которая также делает попытки освоения российского рынка.

    Технические характеристики предлагаемых этими  компаниями автономных уличных систем освещения приведены в таблице 2. В соответствии с паспортными данными указанных устройств номинальная мощность используемых ВЭУ (как правило, при скорости ветра v = 12 м/с) находится в диапазоне 200…800 Вт, а электрическая мощность источников света в диапазоне 36…100 Вт, что соответствует отношению P_ВЭУ/P_нагр от 4 до 22. Устройства оборудованы АКБ, обеспечивающими электропитание осветительного прибора от АКБ в течение 24…300 часов.

    Анализ  представленных в таблице 2 данных позволяет сделать некоторые выводы:

    1. В ряде случаев предлагаемые потребителю емкости аккумуляторных батарей существенно завышены. Как было показано выше, оснащение установок аккумуляторами емкостью более 48 часов обеспечения работы нагрузки не обеспечивает эффективного увеличения показателя гарантированности электропитания.

    2. Для рассмотренных установок характерен широкий диапазон минимальных значений среднегодовой скорости ветра, при которой обеспечивается вероятность гарантированного питания осветительного прибора. Так, для установки, предлагаемой компанией «Алиста», рассчитывать на более или менее гарантированное питание осветительного прибора в течение всего года можно лишь для районов со среднегодовыми скоростями ветра более 6 м/с, которых на территории России относительно немного. В других районах установка, по крайней мере в зимнее время, в полной мере обеспечивать электропитание не будет. 

Таблица 2 – Паспортные данные и расчетные критерии АСОО с ВЭУ

    3. В представленных на рынке автономных установках используются лишь ВЭУ с горизонтальным валом, недостатки которых обсуждались ранее в [1, 2]. Применение ВЭУ с вертикальным валом дает разработке определенные конкурентные преимущества (меньший шум, меньшие вибрации, лучшая эстетика и т.п.).

    Специальным направлением изучения рынка в рамках настоящего этапа работ стал сравнительный  анализ технико-экономических показателей  ВЭУ, предлагаемых на мировом и отечественном рынке.

    Спрос на ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности в последние  годы значительно вырос. К малым  ВЭУ относятся установки производительностью  до 100 кВт. Этот диапазон включает в  себя микро- (до 1 кВт), малые (до 10 кВт) и  миди- (до 100 кВт) ВЭУ.

    Хотя  ВЭУ малой мощности в некоторых  районах, удалённых от электрической  сети, были частью повседневной жизни  на протяжении десятилетий, производство электроэнергии при помощи ВЭУ малой  мощности теперь стало реальной тенденцией во всем мире.

    Журналом Sun & Wind Energy выполнен обзор ветроустановок номинальной мощностью до 100 кВт 26 мировых производителей из США, Китая, Индии, Германии, Великобритании и Нидерландов [8].

    Американская  ассоциация ветровой энергии (AWEA) отмечает 219 основных производителей малых ветроустановок в мире. В таблице 3 представлены страны по числу компаний, которые серийно выпускают малые ВЭУ [9].

Таблица 3 – Количество производителей малых ВЭУ по странам мира [9]

    Из  приведенных данных видно, что по количеству компаний специализирующихся на производстве малых ветрогенераторов США занимают первое место. По данным AWEA в России всего 2 производителя ветрогенераторов. В сети Интернет удалось найти информацию по 6 производителям ветрогенераторов в России, но объёмы выпускаемой ими продукции невелики, а качество продукции ряда российских компаний нуждается в подтверждении.

    В 2008 году в мире было реализовано 19000 новых малых ветроустановок общей  мощностью 38,7 МВт. Около 17,3 МВт из них приходится на рынок США. К концу 2008 года общая мощность ВЭУ малой мощности в США увеличилась до 80 МВт.

    В Европе одним из прогрессивно развивающихся  рынков ВЭУ малой мощности является Великобритания, где сконцентрирован достаточно большой потенциал ветровой энергии. По данным Британской ассоциации ветровой энергии (BWEA) с 2005 года в Великобритании было установлено около 10000 ветроустановок общей мощностью 20 МВт. В 2008 году уже установленные ВЭУ произвели 24,5 ГВтּч электроэнергии и установлены около 3500 новых ВЭУ общей мощностью 7,24 МВт. Значительное развитие ветроэнергетика получила и в других странах Европы.

    Среди стран Дальнего Востока на лидирующие позиции выходит Китай. Китайские  компании с каждым годом все больше наращивают производство и сбыт малых ВЭУ на мировые рынки.

    Для производителей ВЭУ одной из важнейших  является задача повышения эффективности. Величина эффективности ВЭУ формируется из показателей её составных частей (лопастей, генератора, инвертора). В настоящее время целью производителей является увеличение кпд лопастей с 32% до 42…45%, генератора с 65…80% до 90…92%. Используемые в настоящее время инверторы достаточно эффективны – более 90%.

    Эффективность ветроустановки определяется коэффициентом использования энергии ветра, КИЭВ, С_Р. Теоретически доказано, что предельное значение КИЭВ ветроколеса равно 0,593; для хорошо спроектированных установок С_Р обычно располагается в диапазоне 0,25…0,35.

    Большой объем данных, приведенный в [8] позволил выполнить анализ технических характеристик и стоимостных показателей ветрогенераторов номинальной мощностью до 10 кВт. При анализе использовались также технические характеристики ветрогенераторов некоторых российских производителей.

    На рисунках 6.2 и 6.3 представлено распределение стоимости ветрогенераторов по номинальной мощности и странам-производителям. Кружками отмечены ветроустановки российского производства. Производители указывают номинальные мощности ветрогенераторов при различных расчетных скоростях ветра (10…18 м/с). Для получения сравнимых результатов производился перерасчет номинальной мощности на одинаковую расчетную скорость ветра v = 10,5 м/с.

Рисунок 6.2 – Распределение стоимости ветрогенераторов по мощности 
для ветроустановок мощностью до 10 кВт 

    Оба рисунка иллюстрируют значительный разброс стоимости ветроустановок. Наиболее дешёвыми являются ветрогенераторы  китайских производителей.

    На  рисунках 6.4 и 6.5 представлены распределения  мощности ветроустановок по диаметру ветроколеса. При одинаковом диаметре ветроколеса мощности ветрогенераторов разных производителей также сильно отличаются.

Рисунок 6.3 – Распределение стоимости ветрогенераторов по мощности 
для ветроустановок мощностью до 1 кВт

Рисунок 6.4 – Распределение мощности ветрогенератора по диаметру ветроколеса для ветроустановок мощностью до 10 кВт 

    Для оценки эффективности предлагаемых на рынке малых и микро-ВЭУ, для  них были вычислены значения коэффициента использования энергии ветра (С_Р). Его распределение по номинальной мощности ветроустановок представлено на рисунке 6.6. Красной пунктирной линией на нем отмечено предельное значение по критерию Жуковского-Бетца С_Р = 0,593, характерный уровень С_Р≈0,3 отмечен синей пунктирной линией.

Рисунок 6.5 – Распределение мощности ветрогенератора по диаметру ветроколеса 
для ветроустановок мощностью до 1 кВт

Рисунок 6.6 – Распределение коэффициента С_Р малых 
ветроустановок по номинальной мощности 

    Значения  коэффициента использования энергии  ветра для предлагаемых на рынке малых ветроустановок изменяется в широком диапазоне: 0,05…0,58. У некоторых ветроустановок С_Р слишком близок к теоретическому пределу. Это говорит о том, что производители в технической документации, по-видимому, указывают искусственно завышенные технические характеристики. С другой стороны, у большого числа ВЭУ С_Р весьма мал, что указывает на низкое качество таких установок.

    Для оценки степени конструктивного  совершенства малых ветроустановок было проведено также изучение характеристик ветрогенераторов большой мощности (500…5000 кВт), активно применяемых сегодня в сетевой энергетике. Использованы технические характеристики ветроагрегатов, производимых в Германии, США, Испании, Италии, Китае, Индии, Дании, Канаде, Франции и Финляндии¹. Результаты анализа приведены на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7 – Распределение коэффициента С_Р крупных сетевых 
ветроустановок по номинальной мощности 

    Коэффициент использования энергии ветроустановок большой мощности характеризуется существенно более узким диапазоном значений, причем большинство установок демонстрируют более высокую эффективность, чем ветроустановки малой мощности. Помимо в большей степени отработанных конструкций и технологий, это может говорить о более ответственном отношении производителей к качеству и эффективности своей продукции, а также к ее испытаниям, чем производителей ВЭУ малой мощности. Часто ветроустановки малой мощности производят в «кустарных условиях», не имея соответствующего опыта по разработке и созданию эффективных ВЭУ.

    Выполненный обзор позволяет сделать следующий  вывод: мировой сектор малых ветроустановок устойчиво развивается с каждым годом. Однако рынок малых ветрогенераторов сталкивается с серьезными проблемами качества. Данное обстоятельство подтверждает существование широкого поля для дальнейшего совершенствования малых и микро-ВЭУ с приоритетным акцентированием требований достижения высокого качества установок при их адекватной стоимости.

    Материально-техническое  обеспечение постановки АСОО 
на полевые испытания

    Для обеспечения полевых испытаний  на стенде ОИВТ РАН «Атон» подготовлено к измерению метеорологических параметров и апробировано следующее измерительное оборудование. Измерение метеорологических параметров окружающего воздуха: температуры, скорости и направления ветра, относительной влажности, атмосферного давления осуществляется комплексной автоматизированной ультразвуковой метеостанцией «Метео 2» (рисунок 7.1). Комплекс «Метео 2» состоит из измерительной ультразвуковой головки, датчиков влажности и давления, блока питания и персонального компьютера с установленным на нём специальным программным обеспечением. Измерительная ультразвуковая головка и блок датчиков влажности и давления выполняют измерения непосредственно в воздушной среде. Комплекс обеспечивает возможность установки времени усреднения в пределах 1…20 минут с дискретностью 1 мин. Основные метрологические характеристики комплекса приведены в таблице 4.

    Измерение потока солнечного излучения осуществляется пиранометром Kipp&Zonen (рисунок 7.2). Пиранометр измеряет поток солнечного излучения с длиной волны 300…2800 нм. Рабочий диапазон температур составляет –40…+80^оС. Погрешность прибора ±1%.

Таблица 4 – Метеорологические характеристики Метео 2

Рисунок 7.1 – Метеорологический комплекс «Метео 2»: 
1 – ультразвуковая головка измерительная; 2 – датчики влажности и давления.

Рисунок 7.2 – Пиранометр Kipp&Zonen. 

    Литература

1. Отчет о  научно-исследовательской работе (промежуточный) по теме: «Разработка научно-технических основ создания эффективных систем автономного общественного освещения на основе оптимального комбинированного использования возобновляемых источников энергии, энергоемких электрохимических аккумуляторов и высокоэффективных осветительных приборов» (Государственный контракт от 26 июля 2009 года № 02.516.11.6188, шифр заявки «2009-06-1.6-13-04-003»). Этап 1. Разработка технических требований и облика автономной системы общественного освещения (АСОО) – М.: ОИВТ РАН. 2009. 68 С.
2. Отчет о научно-исследовательской работе (промежуточный) по теме: «Разработка научно-технических основ создания эффективных систем автономного общественного освещения на основе оптимального комбинированного использования возобновляемых источников энергии, энергоемких электрохимических аккумуляторов и высокоэффективных осветительных приборов» (Государственный контракт от 26 июля 2009 года № 02.516.11.6188, шифр заявки «2009-06-1.6-13-04-003»). Этап 2. Разработка конструкторской документации и изготовление нестандартных компонентов экспериментальных образцов систем АСОО – М.: ОИВТ РАН. 2009. 253 С.
3. TRNSYS – The Transient System Simulation Program // 2009. http://sel.me.wisc.edu /TRNSYS/
4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. – Л.: Гидрометеоиздат,1990
5. RETScreen International. Климатические данные // 2009. http://www.retscreen.net/ru/ d_data_w.php
6. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – М.: ДМК Пресс, 2001.
7. ANSYS CFX Release 10.0 documentation. 2006.
8. Frey M. Small turbines with big potential // Sun & Wind Energy. 2010. № 1. P 108-114.
9. American wind energy association. 2010. // http://www.awea.org