Двухконтурная аккумулирующая ветровая электростанция

Обоснование проекта

стр. 4

Также не имеет достаточно широкого применения совмещение ветроэлектростанций с солнечными батареями, поскольку последние и дороги, и ненадежны в качестве дублирующего источника. Одна из подобных схем приведена на рис. 13 [2].

Рис. 13

Кроме того, существует проект совмещения ветроэлектростанции и электростанции, работающей на энергии волн. “Вообще-то, всевозможных установок, действующих на основе энергии морских волн (приливных и прочих), запатентовано множество, и ИР неоднократно о них рассказывал. Не удивительно: неиссякаемый, экологически чистый источник энергии. Но, как правило, их авторы старались "оседлать" только какой-то определенный вид волновой энергии, и серьезного применения такие устройства пока не нашли.

Шпаков постарался сделать свое детище не только универсальным, но и способным выполнять самые разные, порой и неожиданные функции. Его станция представляет собой плавучую дискообразную платформу 1 (эдакая плавающая тарелка) 8–10 м в диаметре и водоизмещением 250 т (см. рис. 14)” [16].

Рис. 14

Данной конструкции, при всей ее оригинальности, присущи те же недостатки, которые характерны для ветроэлектростанций – непостоянство источника энергии и рассеянность энергии в пространстве. К тому же, создание значительных электростанций на данном принципе существенно ограничивается размерами самого дискообразного основания, а также проблемами обрастания водорослями и коррозии в шарнире, которым соединен диск 1 с противовесом 2. Поэтому вызывает большое сомнение эффективность дублирующего волнового источника для мощности ветроэлектростанции в 70 – 200 кВт, указанной авторами. Столь инерционный объект, содержащий генератор со всем вспомогательным оборудованием и платформу при энергии волн в 1–2 балла, не будет столь подвержен качке, чтобы обеспечивать указанную мощность. К тому же штиль на море, как правило, сопровождается малой качкой, а следовательно, паузы ветрогенератора будут совпадать с паузами волнового генератора.

Учитывая указанные проблемы, основная масса разработчиков при выборе дополнительного источника питания для ветроэлектростанций средней и большой мощности ориентируется на дизель-генераторы.

В частности, “ветрогенераторы в ВДК служат основным источником электроэнергии, дизель-генераторы – вспомогательным.

Осуществляет электроснабжение мощных потребителей, удаленных от централизованных сетей электроснабжения” [5].

“В настоящее время ветроэлектрические генераторы являются наиболее удобными и доступными для частного пользователя альтернативными источниками энергии. Они дают ряд преимуществ:

- независимость от внешних источников (эл. сеть), возможность полностью исключить работы по проведению эл. линии на удаленные объекты

- возможность использовать совместно с питанием от электросети и другими источниками (дизель-генератор, солнечные батареи), существенно экономя расходы и в то же время повышая стабильность электроснабжения” [17].

Таким образом за исключением совмещения с солнечными батареями, которые, как мы видели выше, не обеспечивают полноценной энергонезависимости и тоже требуют в свою очередь дополнительных накапливающих источников энергии, использование ветростанций планируется или собственно в качестве дополнительных к основному источнику питания, или в комплекте с дизель-генераторами. Одна из стандартных схем подобного комплекса приведена на рис. 15.

Рис. 15

Среди достоинств представленной схемы изготовители видят

“- высокое качество и низкие цены

- высокая степень использования энергии ветра

- возможность использования стандартных дизельных генераторов

- использование кинетической энергии вращения ротора для уменьшения количества пусков дизельного генератора

- возможность работы без аккумулятора” [18].

При всем том, что данная схема способна обеспечить независимое питание потребителей, главными ее недостатками являются, во-первых, необходимость использования углеводородного топлива, а во-вторых необходимость использования дизель-генераторов той же мощности, что и номинальная мощность ветроустановок. Ведь во время безветрия вся нагрузка падает именно на эти дублирующие дизель-генераторы. Причем, как мы могли видеть из вышеприведенных расчетов, при полной загрузке электростанции время работы дизель-генераторов может достигать половины и больше полного времени работы комплекса. Реально по подсчетам специалистов компании WindPark, в подобных комплексах “экономия дизельного топлива до 80% в местах с хорошим ветроресурсом и более” [5]. Для средних ветроэлектростанций столь высокие затраты на электроэнергию, выработанную дорогостоящими дизель-генераторами, не столь критичны. Но для станций, мощность которых превышает 1 МВт, столь высокая требуемая мощность дизеля и столь большой расход углеводородного топлива лишает вышеописанные комплексы всех остальных преимуществ ветроэнергетики, кроме полной автономности, которая требуется для специальных целей.

Кроме того, из схемы мы видим, что обеспечение независимости и бесперебойности энергоснабжения комплекса требует включения в схему щитов управления на каждой ветроустановке и каждом дизель-генераторе, обеспечивающих согласованную работу каждой из установок, и центрального пульта и щита управления комплексом. Это следующая по важности проблема ветроэнергетики. Как можно было видеть из разнообразия типов и моделей ветроустановок, представленных выше, все они основаны на непосредственной утилизации энергии, вырабатываемой при взаимодействии ротора ветрогенератора с потоком воздуха. Одновременно с этим, как тоже было сказано ранее, основной проблемой ветроэнергетики является рассеянность потоков ветра. Вследствие этого просматривается прямая зависимость между расчетной мощностью ветроустановки, диаметром ротора и овеваемой площадью. Таким образом, если, например, для установки ВЭУ-30 развиваемая мощность при скорости ветра 10,5 м/с равнялась30 кВт при диаметре колеса 12 м (овеваемая площадь приблизительно 96 м²) [4], то для мощной установки фирмы NEG Micon [6] при диаметре ротора 92 м (овеваемая площадь 5027 м²) номинальная мощность равнялась 2750 кВт. Таким образом, при данном подходе рост мощности неминуемо приводит к росту диаметра ротора, и как следствие – к увеличению высоты ветроустановки. Это в свою очередь приводит к возрастающим проблемам устойчивости конструкции и проблемам возрастающей массы вращающихся частей установки. Вероятно, пятимегаваттный уровень где-то близок к предельно допустимому для ветроустановок консольной конструкции, поскольку все крупные производители идут в основном не по пути наращивания мощности одиночной установки, а по пути создания комплексов типа поставляемого фирмой General Electric или устанавливаемых фирмами WindPark и NEG Micon, представленные на рис. 3. На рис. 15 представлена цепочка ветрогенераторов фирмы Knight & Carver [19].

Рис. 16

Но объединение большого числа ветроустановок в единый комплекс приводит к проблемам другого рода. Для согласования вырабатываемого установками напряжения по фазе и амплитуде, в условиях автономной работы каждой ветроустановки на свой поток ветра требуется ориентироваться на наиболее слабые потоки ветра, уменьшая эффективность всего комплекса в целом. Для этого, а также для стабилизации амплитуды и частоты напряжения, в мощных ветрогенераторах предусматривается сложная система регулирования угла атаки лопастей, доходящая до 13^о [4]. На рис. 17 представлены два способа управления лопастями, которые используются в ветрогенераторах Лианозовского электромеханического завода (а) [4] и ветрогенераторах Knight & Carver (б) [19].

а

б

Рис. 17

К тому же, как мы могли видеть из табл. 1, при выходе ветроустановки на заданную номинальную мощность, вышеописанным регулированием не используется избыточный поток воздуха, которого будет недоставать в моменты штиля и который вынуждены заменять или сжиганием углеродного топлива, или подключением к внешней сети, или разрядкой аккумуляторных батарей. Но при прямом взаимодействии ветроэнергетических установок с потоком ветра и при прямом питании потребителя подобные проблемы принципиально решены быть не могут, хотя именно решая задачу перераспределения энергии, получаемой ветроустановкой во времени в зависимости от потребляемой нагрузки в сети, большинство указанных проблем можно было бы преодолеть.

Еще одной особенностью ветроустановок является сравнительно высокая их стоимость. Даже б/у установки, согласно табл. 3 [20], стоят достаточно дорого, исходя из долговременности их использования отдельными потребителями.

Таблица 3

В последней колонке приведен срок окупаемости установки без учета эксплуатационных расходов, при стоимости электроэнергии $0,04 за киловатт и времени работы установки, равной половине дней в году [13].

Данные таблицы свидетельствуют о том, что срок окупаемости установки существенно различается у различных производителей и у некоторых типов установок приближается к сроку эксплуатации. Причем с ростом мощности ветрогенератора растет и время окупаемости. Это подтверждает вывод, сделанный выше, что сложность конструкций существующих ветроустановок непропорционально возрастает с увеличением мощности. А следовательно, эффективность эксплуатации существующих ветроустановок может проявиться только в долговременной перспективе, которая не может быть реализована индивидуальным потребителем. Поэтому перспективным направлением ветроэнергетики является выработка электроэнергии специализированными энергокомпаниями, обладающими специалистами по обслуживанию установок, а главное, имеющими возможность координировать потоки потребляемой и вырабатываемой энергии в больших объемах, что удешевляет стоимость вырабатываемой электроэнергии. В условиях же индивидуальных пользователей долговременная работа ветрогенераторов с первичными большими вложениями средств становится нецелесообразной. Ведь при полной загрузке ветроэлектростанции окупаемость ее не менее 4 лет, при среднем ресурсе в 15–20 лет. К тому же существующие схемы не обеспечивают в полной мере автономность энергообеспечения, что только создает индивидуальному потребителю дополнительные сложности в совмещении источников электроэнергии.

Кроме того, при такой раздробленности ветроэлектростанций, при массовом их использовании на определенном уровне развития ветроэнергетики возникнет и проблема места расположения станций. Так, рассчитывая возможность альтернативного получения водорода как автомобильного топлива для Англии с помощью ветрогенераторов, специалисты посчитали, что “для выработки водорода, которого хватит на все британские машины, нужно заставить ветряками всю береговую линию королевства полосой в 10 километров шириной. Каких-то 100 тысяч турбин и дело в шляпе, рассчитали авторы исследования” [22].

Таким образом, мы видим, что попытки совмещения ветрогенераторов с другими источниками электроэнергии типа аккумуляторов, солнечных батарей, дизель-генераторов в полной мере не решают проблемы устойчивости энергоснабжения, поскольку существенно удорожают себестоимость производимой электроэнергии.

Вместе с тем следует особо отметить, что при всех имеющихся на сегодняшний день недостатках, ветроэнергетика является высоко рентабельной отраслью энергетики. Так, в случае роторной ветростанции “Аэролла” специалистами подсчитано, что при работе ветростанции всего 3300 часов в год и при себестоимости 1 кВт*час энергии на уровне $0,04

“Годовая производительность установки – 330 000 кВтч

Стоимость вырабатываемой за год электроэнергии: 330 000 х $0.04/кВтч = $13200

Экономия топлива за год: 330 000 кВт ч х 0.3 кГ/кВт ч = 99 тонн условного топлива” [13].

Учитывая, что стоимость тонны антрацита (близкого по калорийности к условному топливу) на мировом рынке в настоящее время составляет порядка $94, экономия топлива одной ветроустановкой составляет в денежном исчислении порядка $9306, т.е. более половины стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором в год, и тенденция истощения углеводородных запасов говорит о дальнейшем увеличении эффективности ветроэнергетики.

Это означает, что нужно развивать ветроэнергетику, но подходить к данному вопросу с точки зрения наиболее эффективного использования ветроресурсов, обеспечивающего стабильность и качество вырабатываемой электроэнергии при минимальном влиянии на среду обитания человека.