Двухконтурная аккумулирующая ветровая электростанция

Обоснование проекта

стр. 3

Как показывают характеристики, ветрогенераторы с вертикальной осью более приспособлены к малым скоростям ветровых потоков и лучше работают в режиме турбулентных и непостоянных по направлению потоков. “Ветротурбины с горизонтальной осью мегаваттного класса не очень хорошо подходят для крыш зданий из-за требуемого большого пространства и турбулентности ветра, огибающего здания. Небольшие (<50 кВт) турбины с вертикальной или горизонтальной осью не дают столь существенной энергии, чтобы считать их эффективными. Усовершенствованная турбина с вертикальной осью мощностью 100–500 кВт – оптимальное решение для городских условий, поскольку ограниченное пространство, направление ветра и турбулентность – не вопросы для этих всенаправленных турбин” [14]. Общий вид рабочей части турбины Эол и расположения ветростанции на здании представлен на рис. 9 [14], [15].

а

б

Несмотря на то, что еще “в 1988 году, в совместном проекте промышленности, правительства и коммунальщиков компания Hydro-Quebec в Канаде разработала, создала и оценила Эол – 4-мегаваттную ветровую турбину с вертикальной осью типа Darrieus. Эол был (и остается) рекордсменом по размерам, сроку работы, надежности среди турбин и горизонтальной, и вертикальной конфигурации. В течение своего пребывания в должности три профессионала из компании Dermond предусмотрели несколько операционных усовершенствований, которые могли значительно улучшить показатели турбины Darrieus, при уменьшении капитальных и эксплуатационных затрат. Эти усовершенствования (сорок из которых запатентованы) вместе с многонаправленной способностью справляться с турбулентностью ветра сделали ветротурбину Dermond идеально приспособленной для установки на крышах зданий” [14], – существующие типы ветровых турбин неспособны решить главную проблему ветроэнергетики, связанную с изменчивостью ветровой нагрузки. “У ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве, и он не предсказуем – часто меняет направление, исчезает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что просто ломает ветроустановки (см. рис. 10)” [1].

Кстати, опасность опрокидывания ветроустановок, связанная с консольностью их конструкции, достаточно велика и возрастает с ростом мощности самих установок. Именно поэтому ветрогенераторы фирмы NEG Micon блокируют, согласно табл. 2, лопасти при скорости ветра, большей 25 м/с. Также это приводит к необходимости дополнительного упрочнения основания ветроустановки, что существенно удорожает конструкцию, а значит, и понижает экономические показатели самой ветроустановки. Но все же первые два фактора, связанные с рассеянностью и непредсказуемостью ветровой энергии, являются наиболее серьезными проблемами ветроэнергетики.

Как мы могли видеть при анализе эффективности ветроустановки “Аэролла”, более 62 % времени она работает в недогруженном режиме, при этом около 41 % времени скорость ветра ниже 3 м/с, т.е. ниже начального уровня работы ветроустановки. Столь существенные паузы в работе безусловно сказываются на стабильности вырабатываемой электроэнергии. Тем более, что непосредственно ветроустановки способны генерировать электроэнергию только в течение времени, когда присутствует ветровой поток, что далеко не всегда совпадает с пиками потребления. Поэтому практически все существующие сегодня модели, начиная от маломощных и заканчивая мощными установками, как правило оснащаются дублирующим питанием и преобразованием электроэнергии. В качестве одного из примеров, на рис. 11 представлена простая схема совмещенного питания потребителя, используемая в энергоустановках на антенных опорах [2].

На схеме мы видим несколько генераторов малой мощности, подсоединенных в параллель к батарее для ее зарядки. В общем-то подобную, хотя и усложненную схему реализуют и авторы проекта Эол, только в качестве аккумуляторов они используют достаточно дорогие литиевые и литиево-ванадиевые батареи (см. схему на рис. 12 [14])

Данная схема показывает всю сложность аккумуляторно-ветровой энергоустановки.

Прежде всего, как было уже сказано, стоимость аккумуляторов значительна, тем более, если мощность станции несколько десятков киловатт и потребляемая электроэнергия тоже находится в этих пределах.

Во-вторых, количество циклов разряда/заряда аккумуляторов невелико и по оценкам самих же авторов проекта составляет тысячи циклов заряда/разряда [14]. И хотя авторы проекта предполагают, что данного числа разрядов/зарядов достаточно для 10–15 лет работы, если учесть, что каждый день батарея будет как минимум 3–4 раза заряжаться/разряжаться, то это сократит время работы аккумуляторов в лучшем случае до 5 лет. К тому же “аккумуляторные батареи надо утилизировать, а они не безвредны” [15].

В-третьих, на схеме мы видим, что ветроустановка вырабатывает постоянное напряжение и прежде, чем попасть к потребителю, напряжение преобразуется в переменное. Это с одной стороны необходимое условие для стабильного энергообеспечения потребителей, но с другой стороны это приводит к значительным дополнительным финансовым и энергетическим затратам на силовую аппаратуру по преобразованию постоянного тока в переменный, тем более когда на интегратор возложен достаточно большой объем управляющих и сервисных функций: “Этот “собственный” интегратор системы был разработан для выполнения следующих функций, необходимых для того, чтобы системы возобновляющейся энергии имели конкурентоспособную стоимость на энергетическом рынке (рис. 12):

- Автоматически выбирает и распределяет наименее затратную для потребителя мощность

- Управляет многочисленными цифровыми входными сигналами, получаемыми от многочисленных DWTs плюс батарея и/или другие источники, к единичному аналоговому соединению для распределения

- Управляет качеством энергии, доставляемой потребителю, в точке аналогового соединения

- Управляет производством энергии от индивидуальных энергоисточников через дистанционную и/или проводную связь

- Посылает указания контроллерам индивидуальной турбины для силовой установки или коды максимальной мощности каждого DWT для его соответствия требованиям потребителя

- Устанавливает и управляет безопасный резерв наличной энергии для поддержки стабильного энергообеспечения при внезапных изменениях нагрузки

- Одновременно представляет получение и передачу данных центру связи” [14]. Также из перечня видно, что при объединении большого числа небольших ветроэлектростанций существуют большие проблемы согласования фаз отдельных ветростанций, о чем отдельно пойдет речь ниже, тем более, когда вопрос стоит о некоторой энергосистеме с суммарной мощностью 75 МВт: “Ветроэлектростанция на 75 МВт (50 турбин по 1,5 МВт от General Electric за $100 млн) будет построена в Ленинградской области” [15].

Наконец, непостоянство ветровой нагрузки и несоответствие пика нагрузки максимумам ветровой энергии приводят к тому, что “если присоединить к ветряку аккумуляторную батарею, она может выработать свой ресурс до окончания штиля” [1]. Именно поэтому компания-разработчик ветроустановки Эол гарантирует не бесперебойное электроснабжение, но виртуально бесперебойное снабжение с минимальными неудобствами в случае разряда дублирующих аккумуляторных батарей: потребитель “сознаёт немедленную выгоду в первый же день, как WindStor включается, получает удовольствие от того, что он огражден от повышения цен и от повышения собственных возможностей с помощью квази-непрерываемой подачи энергии для всех приборов в качестве бонуса” [14]. Одновременно фирма гарантирует, что “Если WindStor будут выпускать, как ожидается, с отлично конфигурированной батареей, пользователи смогут получать удовольствие от правильного выключения всех своих приборов так, чтобы люди не оставались заблокированными на верхних этажах и в лифтах в зданиях офисов в течение длительного отключения” [14].

В связи с вышеуказанными недостатками использование аккумуляторных батарей, кроме вышерассмотренного проекта Эол, в основном ограничивается маломощными электростанциями, хотя необходимость дублирующего источника электроэнергии сейчас признана всеми.