Ветроэнергетические установки

Использование ветровой энергии осуществляется с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ). Конструктивно ВЭУ состоит из ветроагрегата (ветродвигатель в комплекте с одной или несколькими рабочими машинами), устройства, аккумулирующего энергию или резервирующего мощность, и систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки.

Ветродвигатель – это двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Различают крыльчатые (рис.3.61, а), карусельные (роторные) (рис.3.61, б) и барабанные (рис.3.61, в) ветродвигатели.

Ветроэнергетические установки можно классифицировать:

· по мощности – малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

· по числу лопастей рабочего колеса – одно-, двух-, трех- и многолопастные;

· по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока – с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку (рис. 3.61, г) или с вертикальной осью вращения, перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 3.61, д).

	а)	б)	в)
г)	д)
Рис.3.61. Типы ветродвигателей и ВЭУ

В настоящее время в мире и России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вра­щения (рис.3.61, г), в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола 2 с редуктором и генератором, башня 3 и фундамент.

В гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. Генератор может быть синхронным или асинхронным.

Для ВЭУ выделяют три характерных значения рабочей скорости ветра:

· υ_р^min, при которой 0 < υ < υ_р^min и мощность ВЭУ равна нулю;

· υ_р^N, при которой υ_р^min ≤ υ ≤ υ_р^N и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

· υ_р^max, при которой υ > υ_р^max и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его ло­пастей параллельно вектору скорости ветра.

Считается целесообразным установка ВЭУ в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от υ_р^min до υ_р^N полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра на высоте башни Н_б (м) и диаметра ротора ВЭУ D₁, (м) рассчитывается по формуле

, (3.56)

где N_уд = 0,5ρ – удельная мощность ветрового потока со скоростью , Вт/м²; F_BЭУ – ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, м²:

F_BЭУ = πD₁²/4;

η_р – КПД ротора (около 0,9); η_г – КПД электрогенератора (около 0,95); ζ – коэффициент мощности, учитывающий долю получаемой мощности ветродвигателем от воздушного потока (в практических расчетах принимается равным 0,45).

После подстановки всех указанных значений в (3.56): N_BЭУ = 1,85 D₁²υ³.

Для малых ВЭУ υ_р^min находится обычно в пределах 2,5÷4 м/с, a υ_р^N – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4÷5 и 12÷15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ составляет 60 м/с.

При изменении скорости ветра происходят колебания электрической мощности, создаваемой ВЭУ. Эти колебания приводят к изменениям активной и реактивной мощности, напряжения и силы тока. Воздействие колебаний выходной мощности можно сгладить аккумулированием энергии.

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза вет­ров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких десятков или даже сотен ВЭУ в данной местности. Стоимость ЭЭ на ВЭС ниже, чем на любых других станциях.

Разработкой ВЭУ занимаются многие страны. Крупные ВЭУ в большинстве стран строятся с горизонтальным ва­лом, имеющим диаметр до 100 м. Наиболее крупные ВЭУ работают в Германии (3000 кВт), Швеции (3000 кВт), Великобритании (3700 кВт), США (2500, 3000 кВт). В Канаде действует ВЭУ с вертикальным валом мощностью 4000 кВт.

В РФ в настоящее время разрабатываются унифицированные ВЭУ мощностью от 1 до 250 кВт. Крупная ВЭС сооружается в Калининградской области.

Мини- и микроГЭС

К малым ГЭС относят гидроэлектростанции, суммарная установленная мощность которых не превышает 30 МВт при единичной мощности агрегата не более 10 МВт. Установки мощностью менее 0,1 МВт относятся к категории микро ГЭС. Мини- и микроГЭС (МГЭС) могут быть построены как на малых и средних реках, так, в отдельных случаях, и на крупных реках (при низконапорных гидроузлах или при неполном использовании стока).

Сооружение МГЭС возможно на основе плотинной и деривационной схем, а также на базе использования энергии свободного потока воды (рис.3.62).

Рис.3.62. МГЭС, использующая энергию свободного потока

Мощность, которую несет поток воды, может быть рассчитана по формуле:

,

где m – масса воды, кг; γ – плотность воды, кг/м³; S – сечение водного потока, м²;

v – скорость течения, м/с.

Для увеличения мощности ГЭС, использующей энергию свободного потока, необходимо увеличивать скорость воды за счет применения сопл на входе и выходе установки. МГЭС на основе энергии свободного потока могут монтироваться на сваях или располагаться на плотах (наплавные ГЭС).

По экономическому потенциалу малые и микроГЭС составляют примерно 10% от общего экономического потенциала. В России экономический потенциал малых и микроГЭС использован примерно на 0,5%. так как число малых ГЭС с 5 тысяч в 50-х годах сократилось до 55 в девяностых: МГЭС оказались неэкономичными из-за масштабного присоединения сельских потребителей к централизованной сети энергоснабжения МГЭС.

Но в последние годы в нашей стране вновь возрос интерес к малым ГЭС. Активно идет процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и микроГЭС. Причины тому: 1)высокие цены на газовое и мазутное топливо для крупных электростанций; 2) значительные затраты на эксплуатацию ЛЭП 10-35 кВ при энергоснабжении удаленных потребителей ЭЭ; 3) возросшие требования к охране окружающей среды; 4) стремление собственников промышленных и сельских предприятий к энергетической независимости.

В качестве гидроэнергетического оборудования применяется новый перспективный для малой гидроэнергетики тип гидротурбин ортогональной конструкции, позволяющий экономично использовать низконапорные плотины.

В настоящее время технический потенциал малых ГЭС России оценивается в 357 млрд кВт·ч/год. Природные условия, характерные для европейской части России, могут обеспечить выработку ЭЭ на малых ГЭС, полностью удовлетворяющую потребности районов, экономика которых ориентирована на сельхозпроизводство. Строительство малых ГЭС позволяет также эффективно использовать водные ресурсы рек в целях водоснабжения, рыболовства, транспорта и пр.

3.6.5. Когенерационные энергоустановки

Когенерация представляет собой высокоэффективное использование первичного источника энергии – газа для получения двух форм полезной энергии – тепловой и электрической. Главное преимущество когенератора перед обычными тепло- и электростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью. Система когенерации позволяет использовать то тепло, которое обычно просто теряется. Сегодня новые технологии реализованы в установках, где рабочим телом является не только пар, но и непосредственно само топливо, в частности, – газ. Такой подход с успехом используется в газотурбинных установках (ГТУ) и газопоршневых агрегатах (ГПА). Выбор конкретной установки зависит от удельной стоимости оборудования и от количества необходимого тепла.

Когенератор состоит из газового двигателя, генератора, системы утилизации тепла и системы управления. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 150÷160 кВт тепловой мощности. Выполненные в виде отдельных модулей высокой заводской готовности комплексы ГТУ и ГПА позволяют производить их монтаж на ограниченной площади в непосредственной близости от потребителя или источника газа. Мини-ТЭЦ обладают следующими преимуществами:

• надёжность;
• высокий КПД (до 92%) обеспечивает высокую эффективность использования топлива, возможность производства более дешёвой электрической и тепловой энергии;
• короткий срок окупаемости (2-3,5 года) при небольшом сроке строительства;
• автоматическая система управления и широкая диагностика технического состояния, простота управления, минимальная численность обслуживающего персонала;
• высокие экологические показатели: удельные выбросы NO_x в пределах 50 мг/нм ³, CO не более 300 мг/нм ³; уровень шума не более 80 дБ.