Двухконтурная аккумулирующая ветровая электростанция

Обоснование проекта

стр. 5

С учетом вышеописанных проблем, для эффективного развития ветроэнергетики необходимо решить в первую очередь следующий комплекс проблем:

– нужны схемы, позволяющие создавать мощные ветроэлектростанции не путем суммирования малых мощностей, что уменьшает надежность системы энергообеспечения, а путем создания мощных унитарных ветроэлектростанций. При этом необходимо разорвать порочный круг связи между размерами роторов установок и овеваемой площадью;

– необходимо совместить ветростанции с надежными источниками электроэнергии, позволяющими обеспечивать непрерывность генерации электроэнергии. При этом данные дублирующие источники должны быть надежны и главное, не дороги в эксплуатации и не потреблять дефицитного углеводородного топлива;

– установка ветроэлектростанций должна производиться в местах с повышенной ветреностью, как и гидроэлектростанции устанавливаются не по месту потребления, а по месту наличия ресурсов рек. Данное утверждение не означает, что производство и эксплуатация ветроустановок малой и средней мощности, устанавливаемых по месту потребления электроэнергии, должно быть полностью прекращено, но вопрос здесь стоит о возможности эффективного использования ветроэнергетики и ее способности обеспечивать основные потоки потребления на уровне существующих источников – гидро-, тепло- и атомных электростанций. Только обеспечив данный уровень производства электроэнергии, можно будет говорить об эффективном использовании энергии ветра;

Как показал вышеприведенный анализ, для комплексного решения указанных проблем неминуемо уйти от схем пропеллерного типа, которые, как мы видели, с ростом мощности электростанции создают неразрешимые проблемы связи увеличения массы и размера вращающихся частей. И к этому выводу уже приходят специалисты в ветроэнергетике. “Заметно падает интерес к традиционным пропеллерным (осевым) ветророторам, вращающимся вокруг горизонтальной оси. Практический КПД этих машин намного ниже определенного в аэродинамической трубе: направление ветра часто меняется, так быстро, что самая совершенная (значит, дорогая) система поворота ротора запаздывает, вследствие чего возникают флюгерные потери. То ли дело ветряки, роторы которых ортогональные, вращаются вокруг вертикальной оси. Главное свойство этих машин – независимость от направления ветра. Флюгерных потерь нет вовсе” [22]. “Ветророторы в свободном потоке хороши для малых электростанций. Чем больше мощность, тем больше ротор, значит, возрастают инерционные силы. Приходится делать конструкцию массивнее. Ее инерционность, а значит и потери всех видов растут быстрее, чем производительность (доказано опытом эксплуатации мегаваттных ветряков в Дании и Канаде)” [22].

“Потому многие изобретатели отдают предпочтение схемам с концентратором ветрового потока и маленьким быстроходным турбогенератором с высокими технико-экономическими характеристиками. Таков "Ветродвигатель" по пат. 2074980 (Б.П., Д.Б. и Г.Я. Хозяиновы). Заслонки 1, установленные на неподвижном каркасе (рис.18), поворачиваются на шарнирах 2 между упорами 3 под действием ветра. Они направляют воздушный поток с любой стороны на лопасти радиально-осевой турбины 4. Неизбежные потери напора в направляющем аппарате, возможно, компенсируются высоким КПД и дешевизной миниатюрного быстроходного турбогенератора” [22].

Схема на рис. 18 действительно позволяет разорвать порочный круг между овеваемой площадью и размером ротора ветрогенератора. При этом устойчивость конструкции к напору ветра значительно выше, поскольку с ростом овеваемой площади, в данной конструкции растет и площадь основания, в то время как у ветрогенераторов пропеллерного типа с ростом мощности растет консольность, что ухудшает устойчивость к напору ветра. Еще одним преимуществом данной схемы является то, что использование концентраторов позволяет перевести электрогенератор из вентиляторного режима в напорный режим, чем преодолевается обозначенная выше проблема рассеянности ветрового потока по площади. Кроме того, к достоинствам данной схемы можно отнести и возможность многоэтажной установки подобных блоков, присоединенных к одному электрогенератору. Это значительно увеличит компактность конструкции, отдачу на единицу площади поверхности земли, а главное, позволит, сохраняя жесткость конструкции, создавать унитарные ветрогенераторы значительной мощности, сравнимые с мощностями гидроэлектростанций. Наконец, устойчивость конструкции к напору ветра позволяет использовать максимально всю энергию ветра, не ограничиваясь предельно допустимыми скоростями, – правда, при этом необходимо разорвать еще одну порочную связь между непосредственно производимой электроэнергией и потребляемой электроэнергией.

Единственным недостатком данной схемы является наличие подвижных направляющих. Прежде всего, это не позволяет создавать значительные концентрации потока, которые необходимы для мощных ветроэлектростанций. К тому же с ростом мощности будет расти масса направляющих, что приведет к увеличению инерции самих направляющих, а следовательно, будет существенно ухудшаться отслеживание направления ветра. В связи с этим появится необходимость в серверных механизмах и автоматическом приводе, что значительно усложнит конструкцию и управление и удорожит обслуживание ветростанции.

Вместе с тем в подвижности направляющих прямой необходимости нет. Вполне достаточно, если форма направляющих будет выбрана таким образом, чтобы они концентрировали поток ветра на центре рабочей части лопаток, как показано на рис. 19. Как видно из рисунка, если количество лопастей турбины будет примерно в 1,5 раза меньше количества направляющих, то поток ветра будет концентрироваться на центральных областях лопаток, тыльные же части лопаток будут выполнять роль дополнительных концентраторов.

Рис. 19

У показанных неподвижных направляющих есть еще одно важное свойство, проявляющееся при значительном различии входного и выходного сечения. Дело в том, что с точки зрения динамики газовых потоков данная схема направляющих может рассматриваться как простое сопло. Особенностью же простого сопла является то, что в нем с ростом соотношения между давлением на входе сопла и на выходе, расход газа сначала возрастает, но на уровне критического отношения выходного давления к входному (которое меньше единицы в сужающихся простых соплах при дозвуковом течении), “течение внутри сопла перестает меняться. Расход также остается неизменным и равным критическому… Невозможность изменения режима течения в простом сопле путем изменения противодавления после достижения на срезе сопла скорости звука имеет простое физическое объяснение. Действительно, слабые возмущения, а следовательно, и небольшие изменения противодавления распространяются по частицам среды со скоростью звука. Но сами частицы на срезе имеют скорость, равную скорости звука, и возмущения не могут проникать внутрь сопла, они сносятся потоком. Частицы, находящиеся внутри сопла, после достижения критического режима течения “не знают” о том, что происходит вне сопла” [23, с. 51]. Таким образом, направляющие выполняют роль своеобразных регуляторов потока и отсекают потоки выше расчетного, образно говоря, блокируя воздух внутри направляющей трубы. Этот предел определяет и максимальную мощность, которую можно достигнуть от одного блока рассматриваемой конструкции, как определяет и максимально возможное отношение между входным и выходным сечением концентратора. Грубо его можно оценить, учитывая, что стабилизация расхода будет определяться достижением воздухом на выходе скорости звука, т.е. 332 м/с. При реальных максимально допустимых скоростях на входе, равных 20 м/с, максимальное отношение сечений будет равно 332/20 = 16,6. Это и есть отношение сечений. При постоянной высоте блока, оно может быть легко пересчитано в отношение диаметров всей ветростанции к диаметру ротора. Но это, повторяем, грубая оценка, дающая представление о порядке цифр, и эта оценка показывает, что данная схема имеет как минимум шестнадцатикратное преимущество по сравнению с ветростанциями пропеллерного типа. Для предотвращения шума и вибраций, возникающих в области околозвуковой скорости потока, направляющие следует обшивать звукопоглощающим материалом. При некоторой потере скорости в области стенок, данная обшивка будет эффективно поглощать звуковые колебания и способствовать эффективному блокированию потока воздуха при достижении критических значений скорости потока.

При всей эффективности данного решения, оно не способно само по себе решить второй проблемы ветростанций, связанной со штилями. “Никакой КПД не спасет от простоев в штиль” [22]. Для решения данной проблемы существует единственный выход – дополнительный источник. Если отказаться от существующих решений, основанных на использовании аккумуляторов и дизель-генераторов, то остается одна возможность – искать этот источник в недоиспользуемых ресурсах самой энергии ветра. Ведь, как мы видели в ходе анализа, эффективность использования ветротурбиной энергии ветра падает, начиная с момента, когда она достигает проектной мощности. Это связано с непосредственной связью между производством электроэнергии и ее потреблением. Хотя в ряде проектов, например, в схемах на рис. 11, 12 ветростанции работали на зарядку аккумуляторов, энергия, запасенная в них, потреблялась по мере необходимости. Иными словами, если выработка электроэнергии будет отделена от ее потребления и ветротурбина будет работать исключительно на производство и воспроизводство энергетического ресурса, то с одной стороны утилизация энергии ветра будет максимальной, а с другой стороны производство энергоресурса не будет зависеть от текущей потребности в нем, но может после накопления расходоваться по потребности, а не при наличии ветровой нагрузки. Тем самым можно надежно обеспечить непрерывность потребления электроэнергии, решая проблему непостоянства ветровой нагрузки.

В этом отношении интересно проанализировать другое изобретение, которое, хотя и несколько иначе пытается решить данную проблему, но дает направление на решение в смысле аккумулирования энергоресурса. Речь в данном случае идет о “пат. 2062353 (Г.И. Ефимов, Ш.Р. Абдурашитов). Ветер через ускоряющие воздухозаборники 1 и шахту 2 попадает на лопасти вращающихся в разные стороны ветроколес 3 и 4, кинематически связанных с якорем и ярмом электрогенератора 5 (рис. 20). Пока ветер достаточно силен, в емкости 6 накапливается утилизируемый, например биологический, газ. Если мощность ветра недостаточна, через форсунки 7 и заслонки 8 подается газ и сжигается в полости воздухозаборников 1, вследствие чего возникает обычная тяга, преобразуемая ветроколесами и генератором в товарную энергию” [22].

Рис. 20

В данном изобретении авторы, как мы видим, предполагают, что генерация электроэнергии производится путем совмещения двух параллельных процессов: выработки некоторой установкой биологического газа и выработки электроэнергии ветроустановкой. Во время штиля вспомогательный источник подключается к выработке электроэнергии, компенсируя отсутствие ветровой энергии. При всей привлекательности данной схемы в смысле создания бесперебойного энергоснабжения, она обладает ранее рассмотренными недостатками других схем. Прежде всего, выработка биологического газа требует наличия биологических продуктов, постоянно поставляемых для генерации этого газа. Это далеко не всегда возможно, тем более, если говорить о мощных электростанциях. Но даже если подобная возможность имеется, то при этом эффективность использования энергии газа схемой двойных ветроколес будет значительно ниже, чем уровень утилизации того же топлива в многоуровневых турбинах теплоэлектростанций, и следовательно, совмещать выработку электроэнергии ветрогенератором с выработкой электроэнергии путем сжигания биогаза в ветрогенераторе нецелесообразно.

Вместе с тем, если говорить о возможности использования газового топлива, то ветродвигатель способен не потреблять топливо ради поддержания своей работы, а вырабатывать его и использовать в качестве дешевого, экологически чистого естественного аккумулятора энергии. Ведь электричество, которое вырабатывает турбина, может эффективно использоваться для выработки, например, водорода, который, как известно, является прекрасным экологически чистым горючим. При этом формируется двухконтурная схема ветроэнергетического комплекса, вид которой представлен на рис. 21.

Рис. 21

Как видно из схемы, поскольку ветростанция работает на производство водорода, электрогенератор вырабатывает постоянное напряжение, которое непосредственно подается на газогенераторную станцию, производящую водородное топливо. При этом ветрогенератор работает в оптимально нагруженном режиме, полностью утилизируя энергию ветра, что в случае установки подобных комплексов, например, в районе Новороссийска может служить защитой города от разрушительной боры. Теплоэлектростанция отделена от непостоянства ветровой нагрузки, как и нечувствительна к ветровым штилям. Она работает на стабильном во времени источнике и обеспечивает все требуемые параметры напряжения независимо от колебаний энергии ветра и пиков потребления. Единственное требование, которое должно учитываться данной схемой, это равенство средней производительности теплоэлектростанции и ветрогенератора. Вернее, пиковая мощность тепловой станции может быть больше, но средняя производительность должна быть согласована с ветроустановкой. В ином случае следует предусмотреть транспортировку избытка водорода к потребителю в качестве топлива или стравливание его в атмосферу. Последнее нежелательно из-за ухудшения экономических показателей станции. Если же мощность тепловой станции будет превышать среднюю мощность ветрогенераторов, то тепловая станция будет вынуждена периодически приостанавливать свою работу, что тоже нежелательно, хотя данная проблема решается путем установки дополнительных ветростанций и увеличения объема запасаемого водорода, чтобы ввести в соответствие с вышеуказанным энергетическим балансом.

Дополнительным преимуществом представленной схемы является возможность подключения к тепловой станции одновременно нескольких ветростанций, расположенных в окрестности. При этом требуется только согласование мощностей источников и потребителей, но не требуется, как в существующих схемах, согласование параметров генерируемого ветрогенераторами напряжения. Указанная автономность значительно упрощает систему контроля работы ветроустановок. Единый источник, работающий на потребителя – тепловая станция, за счет аккумулированной энергии водорода стабильно обеспечивает все согласования безотносительно к различию в условиях работы подключаемых ветрогенераторов. При этом указанное подключение, сохраняющее автономность работы ветрогенераторов, может осуществляться или к единой газогенераторной станции, или каждый источник может иметь свою газогенераторную станцию, как может в случае подключения к общей газогенераторной станции объединяться с другими источниками только на выходе производственного цикла станции, но сохранять независимые друг от друга циклы производства водорода, т.е. иметь только общий коллектор водородного топлива. Подобная независимость работы ветрогенераторов обеспечивает максимальную отдачу без потерь, неизбежных, если бы требовалось согласование электрических параметров сетей ветрогенераторов.

Еще одним вопросом, который необходимо решить для эффективной эксплуатации представленного комплекса, является его размещение в ветреных районах. Поскольку данный комплекс способен обеспечить значительную мощность, сравнимую с мощностями ныне эксплуатируемых тепло- и даже гидроэлектростанций, то его не обязательно привязывать к месту расположения потребителя. Наоборот, выгодно его размещать на территориях малолюдных и непригодных для другой деятельности человека – например, в горной местности, где ветровые нагрузки значительно выше, а населенность районов значительно меньше. При этом ветротурбины могут размещаться по гребням гор, а остальные части комплекса – в долине между гребнями в области водных источников, как это показано на рис. 22.

Рис. 22

1 – ветротурбина, 2 – компрессорная станция и хранилище водородного топлива, 3 – водозаборная станция, 4 – газогенераторная станция, 5 – теплоэлектростанция

На этом рисунке мы видим несколько ветротурбин с концентраторами, собранных в многоэтажную башню в малонаселенном ветреном районе, на гребне горы. Такая компактная, эффективно использующая ветровой поток конструкция может непосредственно на месте, энергией вырабатываемого ею постоянного тока диссоциировать воду природных источников (в данном случае, воду горного озера). Тем самым снимается проблема площади, требуемой для выработки энергоресурса, которой были озабочены британские коллеги [21]. Тут же следует отметить, что в долину энергия передается самым эффективным способом – по проводам, и при правильном расчете напряжения, генерируемого ветротурбиной, сама ветротурбина может быть отделена на некоторое расстояние от остального комплекса. С газогенераторной станции водород подается через компрессор в хранилище, из которого он отбирается на тепловую электростанцию и сжигается, вырабатывая переменный ток. При этом обеспечивается реальная, а не виртуальная бесперебойность выработки электроэнергии без применения проблематичных аккумуляторных батарей, роль которых здесь выполняют резервуары водорода, и дорогостоящих дизель-генераторов.

Расширяя возможности представленной схемы, следует добавить, что в качестве источников воды могут рассматриваться как озера и горные реки, так и ледники. Правда, в последнем случае эффективность электростанции будет несколько ниже вследствие потерь на преобразование льда. Но это, в сущности, отразится не на производительности самой теплоэлектростанции, а потребует установки дополнительных ветротурбин, компенсирующих дополнительный расход электроэнергии.

Важно, что вырабатываемое газогенераторной станцией водородное топливо экологически безвредно и химически малоактивно, в отличие, например, от углеводородного, – что приобретает особую важность в условиях высокой сейсмоактивности в горах. Благодаря этому свойству хранение водородного запаса в герметичных резервуарах не является фактором риска. Деятельность водородной теплоэлектростанции не будет наносить вреда экологии края. Вода, образующаяся в результате сгорания водорода на ТЭС, может возвращаться в природный кругооборот, не истощая местные запасы. Одновременно решается проблема эффективного и дешевого производства водорода как топлива для авто- и авиапромышленности.

Единственный внешний недостаток данной схемы видится в том, что для производства конечного продукта используется схема двойного преобразования энергии, уменьшающая кпд комплекса, а следовательно, повышающая затраты на киловатт-час вырабатываемой энергии. В действительности повышение себестоимости не происходит вследствие того, что дополнительные затраты, связанные с установкой ветротурбины и газогенераторного комплекса, должны сопоставляться с затратами, которые идут на приобретение углеводородного топлива на существующих станциях. Если учесть уровень развития современных топливных элементов, использующих водород, то затраты на генерацию водородного топлива ниже во времени, чем растущие затраты на углеводородное топливо, в стоимость которого следует включать не только затраты на разведку и добычу, но и на транспортировку, как и затраты на переработку и захоронение отходов, не говоря уже о затратах на восстановление экосферы региона. Водородное же топливо производится на месте и тут же утилизируется без отходов и без отрицательных последствий для экосферы. При этом, как мы показали при анализе табл. 1, даже на существующих конструкциях ветростанций экономия топливных ресурсов в денежном исчислении достигает половины стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветроустановками, что делает развитие ветроэнергетики не только целесообразным, но с учетом особенностей представленного комплекса, реально реализуемым. В данном варианте ветроэнергетика способна конкурировать по эффективности с существующими источниками электроэнергии, значительно превосходя их в минимизации вреда, наносимого экосфере.

Литература:

1. Деньги на ветре, издательский дом Алтапресс,

http://www.altapress.ru/for_print.php?news_id=9055

2. Ветрогенераторы, ветроэлектростанции на антенных опорах, Телеком Энергострой,

http://eest.ru/windpower.html

3. Ветрогенераторы 5 - 60 КВт, фирма БризХ, http://www.breezex.ru/

4. Ветроэлектрическая установка ВЭУ-30, Каталог ветрогенераторов,

http://wg.bronson.ru/rus/veu1630.shtml

5. Ветрогенераторы 250 - 200.000 КВт, фирма WindPark, http://www.windpark.ru/

6. Ветроэнергетика: Технические вопросы, http://www.ecolog.info/stati/32.shtml

7. Музей альтернативной энергетики,

http://www.hydrogen.ru/index.php?module=My_eGallery&do=showgall&gid=21

8. Ветротурбина для подъема воды, EISystems, http://elsystems.narod.ru/waterpomp.htm

9. Парусный ветряк Silver Scat, http://www.energyscreen.ru/wind.php

10. Проектирование, расчет и изготовление ветрогенераторов, фирма Almaz,

http://almaz.lg.ua/?action=article&section=catalogue&id=61&lang=rus

11. Ветряк в борьбе с заморами рыбы на водоемах, страница Александра Абушенко,

http://aabu.narod.ru/zamor.html

12. Германия построила самый большой в мире ветрогенератор. Журнал Сантехника, отопление, кондиционирование, http://www.c-o-k.ru/showtext/?from=news&id=855

13. Нетрадиционные источники энергии, Беларусь, ЭКСПО 2000,

http://expo2000.bsu.by/main_document.idc?id=47&ps=98

14. The Wind Energy Frontier: Urban Retail Markets, Focus (англ.),

http://re-focus.net/features/archive/julaug04/julaug04_full.html

15. Chronicler. Альтернативная энергетика 2, Известия, Наука,

http://www.inauka.ru/blogs/article51075/print.html

16. Волнам и ветру навстречу, ИР, 2003, 10 (646),

http://www.i-r.ru/show_arhive.php?year=2003&month=10&id=364

17. Каталог ветрогенераторов, Equip, http://wg.bronson.ru/main.shtml

18. Ветроэнергетические установки. НПО Лианозовский электромеханический завод – продукция – Другая продукция – Ветроэнергетические установки,

http://www.lemz.ru/goods/anotherprod/vetroust/

19. Новые приспосабливающиеся лопасти для ветротурбины малой скорости, Hi-zone info,

http://www.hizone.info/index.html?d=20060517

20. Прайс-лист на импортные б/у Used wind turbines,

http://www.umelo.narod.ru/used_Wind_Turbines.htm

21. Британцы рассчитали, что не смогут перейти на водород, 07:08, 08.10.2004, ЭКО-информпроект, http://www.ecoinform.ru/public/news/details/?id=13064

22. Шкроб Ю. Еще раз о солнце и ветре. ИР, 2002, 6(630), Инженерное обозрение,

http://www.i-r.ru/show_arhive.php?year=2002&month=6&id=884

23. Седов Л.И. Механика сплошных сред, т. 2. Москва, Наука, 1972, 584 с.