Системы снабжения ветряных энергетических установок и их использование в России и мире

Рассмотрены варианты организации энергетических систем, основанных на использовании энергии ветра, представлены наиболее распространённые схемы, выявлены условия работы данных систем с учётом местности. Изучены основные проблемы при использовании ветроэнергетических установок, предложены пути и подходы для их решения.

Ключевые слова : ветроэнергетическая установка, системы, сети, энергия, напряжение, строительство, ветропарк, перспективы.

Ветряные электрические установки могут быть подключены к локальным сетям и при этом передавать им генерируемое электричество. Также они могут быть полностью автономными. Речь в последнем случае о ситуации, когда конкретная установка обслуживает нужды потребителя, находящегося в непосредственной близости к ней. Следует понимать, что функционирование автономных систем предполагает независимость от централизованной сети. Ветряная электрическая установка в данном случае работает самостоятельно, может применяться как элемент комбинированной системы снабжения электричеством. [3]

Системы указанного типа могут эксплуатироваться для решения «локальных» потребностей. Пример — снабжение электричеством ферм или небольших предприятий. Установки малой мощности, о которых идет речь, обычно используются для подзарядки аккумуляторов. В простейшем случае подобные системы включают в качестве необходимого элемента инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный (заданной мощности).

В Российской Федерации обычно эксплуатируются установки такого типа с показателем мощности не более чем 0,5 кВт. Однако можно встретить и более мощные модели, многие из которых являются опытными (5–10 кВт). Высокомощные системы могут эксплуатироваться для снабжения энергией сразу нескольких относительно небольших объектов. [2]

Приоритетным видится такое направление ветроэнергетики в Российской Федерации, как применение автономных ветряных энергетических установок в ряду регионов, «насыщенных» энергией ветра. Это, например, районы Крайнего Севера. Для них характерна высокая концентрация ветров, при этом крупные сети снабжают электричеством относительно малое количество населенных пунктов. Отсюда и вытекает целесообразность использования ветряных электростанций. [2]

Строительство и эксплуатация ветряных электрических установок намного выгоднее и безопаснее во всех смыслах. Так как основной источник энергии — это ветер. Даже в условиях отсутствия последнего обеспечить наличие энергии можно посредством аккумуляторов. Целесообразным может быть включение в систему генератора на дизеле, который будет обеспечивать необходимую нагрузку тогда, когда это будет нужно. Для обеспечения высокого коэффициента полезного действия можно в случае «переработки» дизельным генератором направлять излишки на подзарядку батарей. [3]

В общем случае ветряные энергетические установки производят энергию постоянного тока одного напряжения. Через контроллеры осуществляется зарядка батарей. Если нагрузки максимальные, то есть глубина разрядки АКБ предельная, необходимо обеспечивать автоматический запуск дизельного генератора. Необходимым может стать и инвертор, о чем уже шла речь: он будет способствовать преобразованию тока.

Опишем некоторые варианты организации энергетических систем, основанных на использовании энергии ветра:

— гибридные системы. Предполагают параллельную эксплуатацию ветряных установок с прочими, например, с дизельными генераторами, небольшими гидроэлектростанциями и другими (рисунок 1). Дополнительные источники энергии необходимы на случай, когда может возникнуть вероятность дефицита электричества, производимого только ветряной установкой;

Рис. 1. Пример подключения гибридной системы

— ветряные дизельные системы. Включают в состав ветряную установку и систему, генерирующую электричество в результате работы дизельного генератора. Это частный случай гибридной системы. И это рациональное решение, когда дизельное топливо — основной источник энергии, но есть необходимость экономить его. Дело в том, что в ряду ситуаций по объективным причинам применение только дизеля экономически нецелесообразно (дорогая транспортировка до удаленных районов и так далее). Есть несколько вариантов эксплуатации подобных систем. Первый предполагает параллельную работу ветряной установки и дизельного генератора, однако это не всегда целесообразно. [1] Дело в том, что участие ветрового генератора в общей системе по показателю «мощность» не должно быть более чем 15–20 % (относительно дизельного генератора). «Неправильный» режим обоснован только в случае острой необходимости экономии топлива в условиях эксплуатации на больших объектах, потребляющих много энергии. Оптимальным является режим эксплуатации ветряной установки и дизельного генератора раздельно. В таком случае можно обеспечить 50–60 % потребностей потребителей в энергии только средствами конкретной ВЭУ. В таком случае система в целом ощутимо усложняется, потому что возникает необходимость введения в нее управляющих устройств, инверторов и батарей для аккумулирования энергии. [2] Здесь во время ветров питание потребителей осуществляется благодаря ветряной установке, при этом батареи заряжаются. Когда наступают периоды затишья, происходит запуск дизельного генератора. Плюс данного режима сводится к тому, что ощутимо снижаются затраты и на топливо, и на обслуживание системы. Последняя в конкретном случае может «выдавать» мощность в 2–500 кВт. Данные системы можно применять для обеспечения энергией разных потребителей в рамках локальных сетей;

— ветряные солнечные системы. Здесь, что понятно, получение энергии осуществляется посредством солнечных батарей, а также через использование ветряных установок. [1] Следует отметить, что первые являются дорогостоящими, а применение их в единых системах с ВЭУ не всегда обеспечивает высокую эффективность (рисунок 2). Обеспечить высокую продуктивность в плане выработки энергии в данном случае можно при условии эксплуатации ветряной установки в дни, когда дуют ветры, а солнечных батарей тогда, когда устанавливается ясная погода;

— ветряные установки в сочетании с небольшими гидроэлектростанциями. [2] Особенность таких систем — использование энергии ветра не только для питания нагрузки, но и для обеспечения работы гидроэлектростанции в случае необходимости. Как и в предыдущем случае, что следует отметить, и ГЭС, и ветряные установки работают поочередно, но при условии необходимости могут эксплуатироваться параллельно;

Рис. 2. Пример подключения ветро-солнечной системы

— ветряные установки, подключенные к энергетическим сетям (рисунок 3). В данном случае предполагается наличие связи установки с какой-либо сетью. Суть последнего сводится к тому, что в ряду ситуаций сеть обеспечивает реактивную мощность для запуска и функционирования ветрового генератора. [1] При этом энергия, производимая последним, поступает в сеть. Многие современные установки такого типа в составе энергетических сетей «срабатывают» при скорости ветра, примерно равной нескольким (3–4) метрам в секунду. Ток возбуждения иногда может быть «истребован» у сети для синхронизации ветряной установки. Следует отметить, что в рассматриваемом случае при условии, что сеть отключена, ветряная установка не сможет генерировать энергию. Обычно «сетевые» ветряные установки эксплуатируются в районах, где режим ветра достаточен для производства энергии в необходимых, например, для удовлетворения коммерческих нужд, количествах. Это и есть те самые ветряные парки.

Рис. 3. Соединение ветрового генератора с энергетической сетью

Говоря о ветряных парках, следует отметить, что они в общем случае представляют собой комплексы ветряных энергетических установок. Располагаются они обычно рядами перпендикулярно преобладающему направлению ветра. Проектирование ветряных парков требует учета множества факторов и аспектов. Необходимым является наличие дорог для доступа к агрегатам, подстанциям и мониторинговым устройствам. [2]

Обычно участки, на которых осуществляется строительство ветряных парков, параллельно используются и для прочих нужд, например, для сельскохозяйственных. Целесообразным в рассматриваемом случае является использование установок мощностью 200–1500 кВт.

Примечательным является опыт Соединенных Штатов. Там в Калифорнии посредством использования ветряных парков производится количество энергии, равное тому, что было бы необходимым для удовлетворения потребностей в электричестве Сан-Франциско. Снабжение при этом, как считают эксперты, было бы бесперебойным. Системы типа «ветряной парк» становятся все более востребованными. В Европе, например, многие фирмы и владельцы частных хозяйств устанавливают ветряные установки и подключают их к электрическим сетям, чтобы продавать вырабатываемый «ресурс» энергетическим компаниям. Но это не правило: чаще на практике ветряные установки «паркового» типа используются для обеспечения хозяйствами и предприятиями собственных нужд. [2]

Особо следует коснуться ряда проблем, касающихся ветроэнергетики. Одна из самых значимых связана с ключевым источником энергии, то есть с ветром. В данном контексте внимания заслуживает то, что ни многолетние наблюдения, ни сбор и обработка данных, ни наличие метеорологических станций и спутников — ничего не позволяет на данный момент с высокой точностью определить закономерности, определяющие направление, силу и другие параметры ветров в разных районах. Можно, конечно, составить усредненные «картины» для отдельных регионов, но они не могут гарантировать ни в каком из случаев того, что все будет так, как прогнозируется.

Отметить следует и «поведение» ветра на равнинах. Там оно часто неодинаковое даже при всех «прочих равных». То же справедливо для горных местностей и ряда других. Это усложняет задачи, стоящие перед проектировщиками, трудящимися над созданием ветряных парков. Получить максимально достоверные представления о том, какова роза ветров в том или ином районе, удается крайне редко. Проектирование предполагает наличие достоверных и точных данных о следующем:

— ветровом напоре;

— скорости ветра;

— каковы его преобладающие направления и так далее.

Каждый из оцениваемых критериев необходимо переводить в числовые значения, учитывать при этом нужно временные отрезки. Это очень сложная задача. [3] Для ее решения необходимо не только наличие исчерпывающих статистических данных, но и серьезного математического аппарата. Наиболее рациональным подходом видится прогнозирование с опорой на определенные периоды времени. Однако само по себе прогнозирование — это большой усредненный набор вероятностей. Каждый из нас прекрасно понимает, что прогноз — просто вероятность наступления того или иного события. Отсюда вытекает задача повышения достоверности прогнозирования. Ее решение сводится к принятию ветра не как динамической «непостоянной», а как процесса, который можно описать статистическими показателями в рамках конкретного периода времени.

Еще один важный источник информации — это данные в распоряжении метеорологических станций. Они могут использоваться для проектирования ветряных парков.

Один из наиболее важных параметров, используемых для оценки КПД будущего ветряного парка — это скорость ветра в среднем за определенное количество лет. Это параметр предполагает наличие данных наблюдений, осуществляемых десятилетиями. Чем больше количество последних (данных), тем лучше. [3]

Еще раз отметим, что ветер — случайная величина. Определить ее с достоверностью в 100 % и спрогнозировать динамику на будущие периоды почти невозможно. Если смотреть на вопрос с точки зрения математики, можно отметить, что всякий параметр — это в первую очередь набор средних значений конкретного показателя. Отсюда и вытекает допустимость погрешностей.

В случае с проектированием ветряных парков допустимая величина погрешности прогнозов — 15 %.

Важный параметр — это повторяемость скорости ветра. Данный параметр представляет собой процент времени в рамках какого-то периода времени, в течение которого ветер «демонстрирует» одну и ту же скорость. В ряду ситуаций необходимыми становятся дополнительные оценки. Для них выбирают, например, сутки. В течение их ежечасно осуществляются замеры скорости и силы ветра. Если указанный параметр равен или превышает 50 %, энергетический потенциал ветра в точке замеров оценивается как высокий.

На стадии проектирования в случае выявления нецелесообразности строительства ветряного парка от реализации проекта следует отказываться. Дело в том, что низкий коэффициент полезного действия — то, что в конечном итоге буквально уничтожит рентабельность и затянет окупаемость на десятилетия. [2]

Можно, таким образом, говорить, что строительство ветряных парков — направление перспективное, но без ответственного и грамотного подхода здесь не обойтись. Все сопутствующие проектированию и планированию задачи должны решать профессионалы и специалисты с опорой на огромные массивы данных.

Литература:

1. Вопросы развития альтернативной энергетики в России / Вестник Томского государственного университета. Экономика. 2016. № 4(36). Кушнир В. Г
2. https://allbeton.ru/upload/iblock/ef2/vetroenergetika---rukovodstvo-po-primeneniyu-vetroustanovok-maloy-i-sredney-moschnosti.pdf .
3. https://altenergiya.ru/