Ветроэнергетика как источник электрической энергии



Ветроэнергетика как источник электрической энергии

Бубенчиков Антон Анатольевич, кандидат технических наук, доцент;

Киселёв Глеб Юрьевич, студент;

Скороходов Вячеслав Игорьевич, студент;

Боева Лилия Викторовна, студент;

Киселёв Богдан Юрьевич, ассистент;

В данной статье рассмотрены проблемы современной энергетики. Изложен один из путей решения данной проблемы с помощью развития ветроэнергетики. Рассмотрены ветроэнергостанции, их автоматизированная система управления, недостатки и пути решения.

Ключевые слова: регенеративная энергия, возобновляемые источники энергии, ветроустановки, ветроэнергетика.

Запасы органического топлива, такого как нефть, природный газ, каменный уголь, резко сокращаются, а также использование их в электроэнергетики приносит огромный ущерб окружающей среде. По оценкам специалистов, при настоящем использовании угля, его хватит приблизительно на 400-500 лет, а нефти и газа около 100 лет. Ввиду этого, человечеству необходимо освоить регенеративные источники энергии[1].

Энергия ветра с древних времен по сегодняшний день рассматривается как экологически чистый регенеративный источник энергии. Ветры дуют всегда и во всех точках земного шара и это их значительное преимущество перед другими видами регенеративных источников энергии. Отсюда следует вывод, нужно "запрячь ветер в упряжку" и заставить его работать на нас.

В тропосфере, на высоте около 8-12 км от поверхности Земли, образуются мощные воздушные течения, называемые струйными. Характеристики струйных и приземных воздушных течений существенно отличаются. Диаметрально струйные течения достигают от 300 до 3000 км, а их протяженность до 1000 км. Скорость воздуха в ядре струйного течения в среднем составляет 45-55 км/ч и может достигать даже 200 км/ч. Энергетический потенциал ветра на нашей планете очень велик и по оценкам Всемирной метеорологической организации составляет 170 триллионов кВт·ч в год. Это дает возможность выработки энергии ветроустановками в количестве 1,18·10¹³ кВт·ч в год, что многократно превосходит количество потребляемой энергии во всём мире. Ветроустановки чаще всего используют приземные воздушные течения, на высоте до 50-70 от земной поверхности. Важнейшая характеристика, определяющая энергетическую ценность ветра - это его скорость. Вследствие огромного влияния различных факторов, скорость н направление ветра изменяются по случайному закону. Ещё одна не менее важная характеристика ветра – это его вертикальный профиль, то есть характер изменения скорости ветра в приземных слоях атмосферы [2].

Кинетическая энергия ветра, как известно из курса физики, пропорциональна кубу его скорости. Удельная мощность ветрового потока с сечением в 1 м² при температуре t=+15°С, давлении p=101,3 кПа или 760мм рт. ст. и скорости ветра 10 м/с,округленно составляет 0,61 кВт/м2. Кинетическая энергия воздушного потока при помощи ветроколеса или ветротурбины преобразуется в механическую энергию. А механическая энергия, в свою очередь, с помощью исполнительного механизма (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть превращена в электрическую, тепловую или энергию сжатого газа[2].

Ветроэнергетические установки по мощности делятся на три группы: 1) до 5 кВт, применяются для отопления различных помещений; 2) от 5 до 100 кВт, используются в качестве привода различных устройств; 3) более 100 кВт, применяются для совместной работы с другими электростанциями.

Относительно оси вращения ветроустановки бывают: вертикальные (карусельные, роторные, барабанные) и горизонтальные (крыльчатые). Более популярными являются крыльчатые ветроустановки. КПД крыльчатых ветроустановок значительно больше, чем у ветроустановок с вертикальной осью и достигает 50 %. Основной рабочий орган крыльчатой ветроустановки - колесо с лопастями, расположенными под некоторым углом к плоскости вращения. Число лопастей может быть различно, чаще всего 2-3. Вращающий момент на ветроколесе появляется за счёт подъемной силы, возникающий из-за разности давлений под и над крылом.

Скорость вращения колеса максимальна при перпендикулярном попадании потока воздуха на лопасти ветротурбины. Поэтому в крыльчатых ВЭУ используют устройства автоматического поворота оси вращения: на мощных ВЭУ - электронную систему управления рысканием, а на малых установках - крыло-стабилизатор. При больших порывах ветра, более 25 м/с, ветроустановки отключаются за счёт всплеска напряжения. Ветрогенераторы тормозятся с помощью двухуровневой системы торможения. В отключенном состоянии они выдерживают шквалы ветра до 50 м/с. Обслуживание ВЭУ происходит один раз в полгода и срок их эксплуатации 20 лет[3].

Работа ветроэлектростанции, трансформирующей энергию ветра в электрическую энергию, зависит от скорости и направления ветра. А ветер, в свою очередь, интенсивно изменяется в течение всех суток.

Что бы обеспечить максимальную выработку электроэнергии при минимальной наработке каждой ветроустановки, а также учесть показатели и характеристики работы ветроэлектростанции, немыслимо без автоматизированной системы управления. Рассмотрим основные функции автоматизированной системы управления:

▸формирование команд автоматического запуска и остановки каждой ВЭУ по алгоритмам, учитывающим среднюю скорость ветра и среднюю мощность ВЭУ;

▸ формирование команд запуска и остановки каждой ВЭУ оператором;

▸ оперативное представление персоналу ВЭС обработанной информации о состоянии каждой ВЭУ;

▸ представление информации о выработке электроэнергии каждой ВЭУ;

▸архивирование информации о выполненной работе ВЭС.

Ветроэлектростанции как промышленный объект состоит из множества ветроустановок, расположенных на некоторых расстояниях от 150 до 1000 м друг от друга, центрального пульта управления (ЦПУ), комплектных трансформаторных подстанций и так далее. Поэтому естественным для такого объекта управления является структура распределенной системы сбора данных.

На основе анализа технологических комплектов оборудования, рассмотрим модуль ICP_CON серии I-7000. Следует заметить, что критериями выбора были: качество, надежность, полнота и достаточность программного обеспечения данного оборудования.

И так, рассмотрим структуру выбранного модуля. На каждой ветроустановки установлен контейнер с защитной оболочкой, в котором смонтированы: модуль восьмиканального аналого-цифрового преобразователя I-7017F и модули дискретных ввода/вывода I7060, I7043, I7053, подключенные к датчикам и исполнительным механизмам, а также смонтированы источники питания.

На центральном пункте управления ветряной электростанции расположен персональный компьютер в промышленном исполнении, у которого процессорная плата Rocky-3702EV-R4 в шасси PAC-1700. На шину PCI компьютера установлена плата 16/32-канального АЦП 14 бит, 125 кГц с групповой гальванической развязкой каналов L-761, к которой подключены датчики скорости и направления ветра LOGGER. К коммуникационному порту подключен преобразователь интерфейса I-7520, обеспечивающий формирование интерфейсного канала RS-485, гальванически развязанного от компьютера. Модули сбора данных на ветроустановках и компьютере ЦПУ соединены кабелем "витая пара". Питание аппаратуры на ЦПУ осуществляется от источника бесперебойного питания[4].

Система управления ветроэлектростанции в дистанционном режиме автоматически запускает каждую ветроэлектрическую установку с ЦПУ по информации от датчика ветра, установленного на метеовышке ветроэлектростанции и датчика нулевой мощности, установленного в системе генерирования электрической энергии ветроэлектрической установки или в дистанционном режиме. Каждая ВЭУ запускается и останавливается оператором ЦПУ независимо от ветровой обстановки[4].

Рис. 1. Модуль ICP_CON серии I-7000

Циклически с периодом не более 0.2 с выполняется опрос параметров ВЭУ, находящихся в рабочем состоянии, первичная обработка принятой информации и архивирование данных. При этом контролируются следующие основные параметры каждой ВЭУ, называемые контролирующими параметрами:

▸ активная мощность генератора;

▸ реактивная мощность генератора;

▸ полный ток фазы генератора;

▸ ход штоков гидроприводов;

▸ управляющий ток гидропривода;

▸ частота вращения ветроколеса;

▸ скорость ветра за ветроколесом;

▸ виброускорение корпуса подшипника ветроколеса;

▸ виброускорение подшипника генератора;

▸ виброускорение гидропривода;

▸ температура маслобака;

▸ температура корпуса подшипника генератора;

▸ температура корпуса подшипника быстроходного вала мультипликатора;

▸ температура воздуха на выходе генератора;

▸ режим управления (местный или дистанционный);

▸ готовность СЭО и САУ;

▸ прохождение команды пуска;

▸ включение генератора;

▸аварийное выключение ВЭУ[4].

Одна из самых эффективных систем – это система «ветро-дизель». Данная система представляет собой работу ветроэлектростанции совместно с дизельной электростанцией. Современные, европейские компьютеризированные устройства позволяют за несколько секунд отключить дизель или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизельного топлива и экономится до 67% топлива в год[5].

Рассматривая ветер как источник регенеративной энергии, нельзя не заметить существенного недостатка - его нестабильность. Для снижения зависимости ветроустановок от непостоянства ветра применяют маховики, частично сглаживающие шквалы ветра, а также применяют различные аккумуляторные устройства, обычно электрические. Чаще всего используют два вида аккумуляторных устройств: воздушные и гидравлические аккумуляторы. Воздушный аккумулятор – это устройство, при котором ветроустановка нагнетает воздух в баллон, а при выходе из баллона, струя, имея высокую кинетическую энергию, бомбардирует лопасти турбина, приводя её во вращение вместе с ротором электрогенератора. Гидравлический аккумулятор – это устройство, при котором ветродвигатель поднимает воду на определенную высоту, после чего, вода, падая вниз, передаёт свою кинетическую энергию лопастям турбины, за счёт чего, турбина начинает вращаться. Для компенсации нестабильности ветра, сооружают огромные ветряные плантации (станции). Большое количество ветроустановок располагают рядами. Так как ветроустановки могут загораживать друг друга, из-за больших диаметров ветроколес, достигающих нескольких десятков метров, их размещают на определённых расстояниях друг от друга. Современные ветротурбины результативно работают при скоростях ветра 6-10 м/с. И поэтому ветровые турбины устанавливают на мачтах, высота которых достигает нескольких десятков метров, а иногда и около 100 м, чтобы поднять их над приземным инерционным слоем атмосферы. Ветроэнергетические установки эффективно работают только в районах со стабильными ветрами, например, на горных перевалах и морских берегах[6].

К большому сожалению, у ветроустановок есть некоторые существенные недостатки. Они за счёт вращения лопастей, генерируют интенсивный инфразвук. Низкие частоты оказывают отрицательное воздействие, как на человека, так и на животных, находящихся в радиусе воздействия инфразвука. Ветроустановки отражают радиоволны вращающимися лопастями, затрудняя работу навигационной аппаратуры самолётов, а также передачу телесигналов. Эксплуатационные расходы на ветроустановки очень большие. Ветроэлектростанции занимают большую площадь, чем ГЭС, ТЭС или АЭС такой же мощности[7].

На сегодняшний день, проблемы, связанные с эксплуатацией ВЭС, уже нашли разумное решение. Источником шума на ветроустановках является механическая передача от ветроколеса к электрогенератору, в основном шум редуктора - механический шум и шум при работе ветроколеса - аэродинамический шум. Для снижения механического шума используются гасители различной конфигурации, а также применяется звукоизолирующее покрытие. Создаваемый аэродинамический шум, сопровождается звуковыми колебаниями менее 20 Гц, так называемый - инфразвук. Как для людей, так и для животных особую неприятность и опасность составляют частоты от 7 Гц до 10 Гц. Явление возникновения инфразвука при работе ветроустановок было преодолено выбором профиля лопастей и выбором оптимальной скорости вращения ветроколеса, а также выбором конструкции ветроустановки, когда ветроколесо находится перпендикулярно потоку ветра, так сказать «встречает ветер». Для решения проблемы вибрации, ветроустановку закрепляют на мощнейшем фундаменте, который, за счёт большего веса и своих габаритов, гасит вибрации башни. Для защиты птиц используют ограждения. Ветроколесо огораживается сетчатым кожухом, который препятствует попаданию птиц в лопасти ветроколеса. Для улучшения приема телесигнала, рядом с ветряными электростанциями строят специальные ретрансляторы [8].

Вблизи населённых пунктов, удалённых от систем центрального электроснабжения, или для электроснабжения определённого жилого дома, используют автономные маломощные ветроустановки, мощность которых составляет от 2 кВт до 10 кВт, в зависимости от нагрузки и электропотребления. Данные установки не создают дискомфорта, для близ живущего населения, из-за низкого уровня шума и вибрации. Однако из-за своевременного изменения скорости ветра, используют гибридные электроэнергетические установки. В состав данных ветроустановок обычно входят аккумуляторные батареи, фотоэлектрические батареи, микрогидроэлектростанции, а во многих других случаях и установки ветро-дизель в качестве резервного источника энергии, а также для бесперебойного электроснабжения, во время длительных периодов отсутствия ветра. Небольшие предприятия, удаленные от населённых пунктов, могут использовать ветроэлектрические установки существенно большей мощности. Маломощные турбины с мощностью менее 1 кВт, могут быть использованы для заряда аккумуляторов и электроснабжения объектов с малой нагрузкой (связь, освещение, электроинструмент, телевизор и т.п.) [9,10].

В отличие от всех ископаемых видов органического топлива, используемого в энергетике, ветер является возобновляемым источником энергии. Капитальные затраты на сооружение ветроэнергетических станций намного меньше, чем на строительство тепловых, атомных или гидроэлектростанций. Ветроэнергетические установки не загрязняют атмосферу и гидросферу, как ТЭС. Каждый кВт·ч выработанной электроэнергии ВЭС замещает сжигание 350 грамм угля [11]. Ветроэнергетические установки не дают радиоактивные отходы, как АЭС. Поэтому ветроэнергетику можно отнести к перспективным отраслям альтернативной энергетики.

Литература:

1. Шинкевич А.И., Зарайченко И.А. Повышение инновационной активности в энерго- и ресурсосбережении на основе концепции «Технологических окон возможностей». // Вестник Казан. технол. ун-та. — 2010. — №9. — С. 897-900 .
2. Долгоульский А., Сайдаматов Э. – Бишкек: альтернативные источники энергии, 2007.
3. Саликеева С.Н., Галеева Ф.Т. Обзор методов получения альтернативной энергии. // Вестник Казан. технол. ун-та. — 2012. — №8. — С. 57-59 .
4. Куликовский Н.Н. Система управления ветроэлектростанцией / Н.Н. Куликовский // Внедрения и разработки. — 2013. — С.20-21.
5. Бубенчиков А.А., Николаев М.И., Киселёв Г.Ю., Есипович Н.В., Феофанов М.К., Шкандюк Д.О. Возможность применения солнечной энергии на территории России и Омской области // Современная наука и практика. — 2015. — № 4 (4). — С. 85-89.
6. Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Р.А. Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова Т.В. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5-2 (36). — С. 39-43.
7. Соломин Е.В. Ветроэнергетическая экономика // Альтернативная энергетика и экология. — 2010. — №1.
8. Проблемы ветроэнергетики [Электронный ресурс] URL: http://www.solarhome.ru
9. Ветрогенераторы малой мощности [Электронный ресурс] URL: http://null-dom.ru
10. Отраслевое отделение по энергетическим технологиям в сфере ЖКХ и строительстве ФМоС [Электронный ресурс] URL: http://www.deloros.ru
11. ВЭС [Электронный ресурс] URL: http://www.eng-stroy.ru