 |
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Строительство большого количества новых объектов энергопотребления в районах, удаленных от сетей централизованного электроснабжения, остро ставит вопрос создания систем автономной энергетики с использованием различных источников энергии.
В «Новостях ЭлектроТехники» (№ 5(35) 2005, № 6(36) 2005) мы рассказывали о дизельных, газодизельных, газопоршневых и газотурбинных установках, применяемых в малой энергетике. Но в последнее время особое внимание уделяется использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Среди энергоустановок, построенных на базе НВИЭ, преимущество по объему вырабатываемой энергии сегодня, безусловно, принадлежит ветроэнергетическим установкам, о которых рассказывают наши петербургские авторы.
Александр Герасимов, д.т.н., профессор, ведущий специалист
Владимир Толмачев, д.т.н., зам. технического директора, старший научный сотрудник
Константин Уткин, технический директор
ОАО «Звезда», г. Санкт-Петербург
 Рис. 1. Ветроэнергетическая установка
Все ветроэнергетические установки (ВЭУ) условно подразделяются на сетевые и автономные.
К сетевым относят ВЭУ, предназначенные для работы параллельно с единой энергосистемой («большой» энергетикой). По данным зарубежной печати, сетевые ВЭУ окупаются за 6–8 лет, а в дальнейшем приносят чистую прибыль. В России в настоящее время эксплуатируется лишь одна сетевая ветроэлектростанция – Воркутинская ВЭС, входящая в состав энергосистемы «Комиэнерго». Сетевые ветроэлектрические установки в России мало востребованы ввиду невысокой цены российской электроэнергии, отсутствия соответствующего законодательства, а также развитости магистральных сетей в промышленных районах.
Поэтому основное внимание мы уделим вопросам построения ВЭУ, используемых в системах автономного энергоснабжения (САЭ). Напомним, что под САЭ понимают системы энергоснабжения, мощность которых соизмерима с мощностью потребителей электроэнергии и которые схемно не связаны с «большой» энергетикой.
При построении САЭ на базе ВЭУ наиболее важна комплексная проработка всех вопросов, поскольку ВЭУ потенциально должны снизить:
- финансовые затраты на транспортировку и хранение топлива;
- потери при передаче электрической и тепловой энергии от источника к потребителю;
- затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание энергоисточников.
Причины, сдерживающие внедрение ВЭУ
Для начала рассмотрим объективные причины медленного внедрения ВЭУ в практическую энергетику [1].
Первая причина – особенности ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие текущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра существенно изменяются в суточном и годовом циклах. Мировая практика показала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4–5 м/с применение сетевых ВЭУ неэффективно. Согласно ветровому кадастру России, лишь 40% ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, Азово-Черноморская и Каспийская зоны.
Вторая причина связана с особенностями преобразования энергии ветра в электрическую:
непостоянство ветра и сильная зависимость мощности от скорости ветра. ВЭУ не могут обеспечить высокое качество электроэнергии и надежность электроснабжения потребителей в автономном режиме. Число часов использования генерирующей мощности ВЭУ зависит от среднегодовой скорости ветра и лежит в пределах 2–4 тыс. ч в год. Наиболее благоприятны для работы ВЭУ осенне-зимний и ранний весенний периоды года, что в целом совпадает с условиями изменения электрической и тепловой нагрузок объектов автономного энергоснабжения (ОАЭ).
Третьей причиной медленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников, стоимость 1 кВт вводимой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные электростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200–250 долл./кВт. По оценкам экспертов, в перспективе по мере развития ветротехники можно ожидать снижения стоимости ВЭУ.
Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими особенностями отсутствия ВЭУ даже на тех объектах ОАЭ, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:
- специфические резкопеременные графики нагрузок;
- соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;
- наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;
- высокие требования к надежности оборудования, вызванные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.
Необходимо отметить, что ВЭУ экологически не безупречны. Новейшие исследования в США и Германии показали, что ветроагрегаты с диаметром ветроколеса более 10 м генерируют инфразвуковые колебания, обладающие вредным воздействием на организм человека и животных (в том числе угнетающим психику). При этом птицы, мелкие животные и даже насекомые и черви покидают эту зону, что может отрицательно повлиять на общее состояние фауны и флоры в месте расположения ветроагрегатов. Все ВЭУ достаточно шумны. Ветроколеса создают также помехи при приеме сигналов теле- и радиопередающих станций. В связи с этим возникают проблемы расположения ВЭУ на определенном удалении от домов, аэропортов, дорог и других объектов.
Совершенствование ВЭУ
Во многих странах мира исследования по совершенствованию ВЭУ ведутся главным образом в направлении расширения диапазона используемых скоростей ветра (особенно в меньшую сторону) и улучшения качества вырабатываемой электроэнергии. Также выполняются работы по совершенствованию аэродинамических свойств ветроколес и способов регулирования частоты их вращения в целях повышения коэффициента использования энергии ветра и увеличения времени применения ВЭУ в году. По этим вопросам ежегодно публикуются сотни заявок на изобретения и патентов.
Совершенствуется электрическая часть ВЭУ. Часто в одной ВЭУ предусматриваются два генератора, рассчитанные на разную частоту вращения и автоматически переключающиеся в зависимости от скорости ветра. Делаются попытки использования в ВЭУ электрических машин двойного питания, обеспечивающих постоянство частоты тока при переменной частоте вращения. Вводится выпрямление переменного тока в постоянный с последующим его инвертированием. В ряде случаев применяется разделение вырабатываемой электроэнергии на два потока: основной с высокими параметрами качества и вспомогательный (для нагрева воды или воздуха) – с низкими параметрами.
Постоянно совершенствуются системы автоматического управления режимами ВЭУ вплоть до использования управляющих ЭВМ. К сожалению, эти новшества существенно усложняют и удорожают ВЭУ, что задерживает их внедрение в практику.
Виды и характеристики
ВЭУ имеют ветродвигатель, представляющий собой колесо с большими лопастями, связанный системой зубчатых передач с электрогенератором (рис.1).
Существуют два вида ВЭУ: с вертикальной и с горизонтальной осью вращения. В России выпускаются ВЭУ только с горизонтальной осью вращения. Это вызвано существенными недостатками, присущими ВЭУ с вертикальной осью вращения [2]:
- неравномерностью крутящего момента;
- большой пусковой скоростью ветра (около 15 м/с).
При этом стоит отметить, что ВЭУ с вертикальной осью вращения имеют ряд преимуществ по сравнению с ВЭУ с горизонтальной осью вращения:
- проще конструкция в связи с отсутствием механизмов поворота лопастей и разворота оси ветроколеса по направлению ветра;
- ниже стоимость;
- выше надежность.
ВЭУ с вертикальной осью вращения целесообразно использовать для электроснабжения потребителей с низкими требованиями к качеству электроэнергии, например, в системе теплоснабжения или в сетевых ветроэлектростанциях большой мощности (ВЭУ мегаваттного класса).
В табл. 1 представлены основные ВЭУ, производство которых налажено в России, и их основные характеристики.
Таблица 1 . Характеристики ветроустановок отечественного производства
Мощность и применение
Простейшие автономные ВЭУ без накопителей энергии могут применяться только для потребителей, не требующих непрерывности и высокого качества электроэнергии.
Мобильные сборно-разборные быстромонтируемые ВЭУ мощностью до 1 кВт, вырабатывающие постоянный ток при напряжении 12 или 24 В и снабженные накопителем энергии в виде аккумуляторной батареи, могут широко использоваться для электроснабжения навигационных устройств, маяков, ретрансляторов и т.п.
При мощностях от единиц до десятков киловатт могут использоваться стационарные автономные ВЭУ с аккумуляторными накопителями. Однако применяемый при таких мощностях переменный ток напряжением 220 или 380 В и повышенные требования к качеству электроэнергии вынуждают использовать различной степени сложности механические, электрические или электронные системы регулирования, специальные переключающие, согласующие, преобразующие, выпрямительные и инвертирующие устройства, что значительно удорожает ВЭУ. В сочетании с мощной аккумуляторной батареей, стоимость которой существенно зависит от расчетной длительности штилевой паузы, такие ВЭУ становятся экономически неконкурентоспособными по сравнению с традиционными источниками энергии. Не снимается для таких ВЭУ и проблема обеспечения надежности электроснабжения.
При мощности от десятков до сотен киловатт представляет интерес использование ВЭУ в сочетании с дизельной электрической станцией (ДЭС) и котельной.
Для оценки эффективности энергоснабжения автономных объектов предлагается ввести понятие автономного энергетического комплекса (АЭК), включающего в свой состав как традиционные дизель-генераторы и котлоагрегаты, так и возобновляемые источники энергии, а также аккумуляторы и потребители тепловой и электрической энергии, распределительные сети и систему автоматического управления и регулирования.
В настоящее время наиболее востребованными ВЭУ для систем автономного электроснабжения в России являются ВЭУ мощностью до 30 кВт. Например, в ОАО ГосМКБ «Радуга» им. А.Я. Березняка разработаны ветроэлектрические установки мощностью от 8 до 30 кВт с диаметром ветроколеса 10 м, с высотой башни 9,5 и 17,5 м.
Расчеты показали, что экономический эффект от применения подобной ветроэлектрической установки за весь срок службы, определенный в 25 лет, по сравнению с использованием электроэнергии, получаемой только от электростанции, построенной на основе ДЭУ (стоимость 1 кВт•ч – 8–13 рублей), будет примерно следующим:
- при среднегодовой скорости ветра 7 м/с – 7 млн рублей;
- при среднегодовой скорости ветра 9 м/с – 14 млн рублей.
Автономные энергетические комплексы
Состав и характеристики источников, алгоритмы управления АЭК должны устанавливаться на базе анализа и классификации ОАЭ с учетом:
- климатических условий;
- наличия различных природных ресурсов;
- формы графиков нагрузок тепловой и электрической энергии;
- требований потребителей к надежности и качеству вырабатываемой электроэнергии.
Структура и технические требования к составным частям АЭК определяются на основе результатов расчета капитальных и экс-плуатационных затрат вариантов АЭК. Инструментом оценки эффективности АЭК с ВЭУ служит энергоматериальный баланс,а количественным показателем – удельная стоимость выработанной тепловой и электрической энергии за заданный период эксплуатации.
При использовании ВЭУ в ОАЭ изменяется не только спрос на энергию (нагрузка), но и мощность, вырабатываемая этими источниками, поэтому при расчете и выборе АЭК с ВЭУ необходимо учитывать оба эти фактора, которые часто противоречат друг другу. Согласование графиков тепловых и электрических нагрузок с мощностью, вырабатываемой источником, является одной из важнейших задач, решаемых САР АЭК.
Рис. 2. Структурно-принципиальная схема САЭ на базе ветродизельного энергоблока и котельного агрегата
Применение аккумуляторов и средств регулирования потоков энергии в АЭК (например, современных транзисторных и тиристорных регуляторов мощности) позволит обеспечить существенную экономию тепловой и электрической энергии и оптимизировать энергетический баланс в АЭК путем управления потоками энергии от ВЭУ, ДЭС и котельной. При этом существенно важным для ОАЭ является то, чтобы комплекс «ВЭУ – преобразователи энергии – система использования энергии от ВЭУ» позволял потреблять от ВЭУ энергию как для электроснабжения, так и для теплоснабжения.
Проведенные исследования различных автономных объектов для северных районов России [1] показали, что для них энергию ВЭУ наиболее целесообразно использовать комбинированно, отдавая преимущество системам теплоснабжения.
Такой вывод при выборе ВЭУ позволяет ориентироваться на ветроагрегаты с невысокими требованиями к качеству выходного напряжения и упрощенными конструктивными решениями задач преобразования ветрового потока в механическую энергию вращения вала (например, нерегулируемые лопасти и т.п.). При этом требуемое качество электроэнергии в канале электроснабжения может быть обеспечено стандартными устройствами преобразования электрической энергии (например, источниками бесперебойного питания типа UPS) с аккумуляторной батареей соответствующей емкости.
На рис. 2 представлена структурно-принципиальная схема САЭ на базе ветродизельного энергоблока и котельного агрегата. Отопление и горячее водоснабжение объекта обеспечиваются водяной системой теплоснабжения от электробойлера либо от котельного агрегата.
В состав САЭ объекта входят:
- ветроэлектроустановка (ВЭУ);
- дизельная электростанция (ДЭС);
- котельный агрегат (КА);
- коммутационное устройство (КУ);
- источник бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторной батареей для питания ответственных потребителей;
- электробойлер (ЭБ) с ТЭНами и датчиками температуры воды;
- тиристорный регулятор мощности (ТРМ) электробойлера;
- аварийный охладитель (АО), включающий в состав радиатор и вентилятор;
- блок управления аварийным охладителем (БУ АО);
- системы управления ДЭС (СУ ДЭС), электробойлера (СУ ЭБ), котельного агрегата (СУ КА), тиристорного регулятора мощности (СУ ТРМ).
Электрическая энергия, вырабатываемая ВЭУ (при наличии ветра с номинальной скоростью Vmin  V Vmax) либо ДЭС (при отсутствии ветра, а также в случаях, когда V < Vmin или V > Vmax), распределяется по двум основным каналам:
- по каналу электроснабжения – для питания ответственных потребителей через ИБП;
- по каналу теплоснабжения – для питания ТЭНов электробойлера и соответственно подачи теплоносителя с необходимыми параметрами к отопительным приборам.
Котельный агрегат предназначен для обеспечения потребителей тепловой энергией в случаях длительных затиший, а также для экономии дизельного топлива при работе ДЭС, поскольку КПД преобразования дизельного топлива в ДЭС менее 40%, а в котельном агрегате – более 60%.
Выводы
Итак, при принятии решения о создании САЭ с использованием ВЭУ необходимо проработать следующие вопросы:
1. Выяснить состояние ветроресурсов (ветровой режим) в районе размещения САЭ.
2. Определить графики электрических и тепловых нагрузок потребителей.
3. Определить состав САЭ и характеристики ее элементов.
4. Выполнить технико-экономическое обоснование проекта САЭ.
Методика технико-экономического обоснования САЭ с ВЭУ приведена в [1].
В следующих номерах журнала будут рассмотрены вопросы повышения эффективности ВЭУ за счет использования адаптивного управления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Толмачев В.Н., Орлов А.В., Булат В.А. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения / Под общ. ред. д.т.н. Орлова А.В. – ВИТУ. – СПб. – 2002. – 203 с.
2. Агафонов А.Н., Сайданов В.О., Гудзь В.Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005.
| 
|
