Обоснование эффективности судовых ветрогенераторных установок

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.311.68

О.А. Бурмакин, Ю.С. Малышев, Ю.В. Варечкин, И.В. Сычушкин

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ВЕТРОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Волжская государственная академия водного транспорта

Цель: Определить эффективность применения судовых ветрогенераторных установок. Научный подход: Исследование проведено как численно, так и аналитически.

Результат: Рассмотрены перспективы внедрения ветроэнергетической установки на судах Северного флота, а также применение валогенераторной установки с целью снижения себестоимости электроэнергии. Определены экономические и экологические показатели внедрения альтернативных источников энергии на судно. Вывод: Применение ветроэнергетической установки на судне в совокупности с валогенераторной энергетической установкой значительно снижает потребление топлива, стоимость электроэнергии и уменьшает вредное влияния на окружающую среду.

Ключевые слова: альтернативный источник энергии, валогенераторная установка, экономия электроэнергии, ветроэнергетическая установка

В связи с ростом цен на топливо все актуальнее встает вопрос об энергосбережении и использовании на судах различных альтернативных источников энергии. Одним из таких источников являются установки, преобразующие энергию ветра.

Сегодня существует достаточно много различных проектов судовых ветродвижителей и ветродвигателей, как реализованных, так и находящихся на стадии разработок. Наиболее целесообразным вариантом является установка на морских и речных судах ветродвижителя как дополнения к основному механическому двигателю. Это даст 25-30 % экономии топлива и обеспечит судам вполне приемлемую скорость в 16 узлов, а кроме того, позволит вместо мощной энергетической установки применять сравнительно небольшую [1].

Ветрогенераторы на судах практически не применяются, однако, с точки зрения электроэнергетики, использование ветроэнергетической установки (ВЭУ) для электропитания судовых потребителей может быть перспективной областью для исследований. Мощность судовой ВЭУ ограничена габаритами и характеристиками судна. Поэтому наиболее выгодно, по мнению авторов, обеспечить совместную работу ВЭУ и валогенераторной установки (ВГУ) морских судов для самого продолжительного по времени и малого по электрической нагрузке ходового режима, а также для стояночного режима. В качестве ветродвигателя наиболее предпочтительны спиральные ветровые турбины. Они производят до 50% больше электроэнергии в год по сравнению с генераторами с горизонтальной осью вращения и вырабатывают электроэнергию при скорости ветра от 1 до 60 м/с, выдерживают мороз, лед, песок и влажность [2, 3]. Экономически обоснованным будет применение ВЭУ и судов, оснащенных ВЭУ, в северных и восточных районах России, где среднегодовые скорости ветров превышают 5 м/с.

Для оценки экономической эффективности применения ВЭУ на сухогрузном теплоходе грузоподъемностью 1000 т, мощностью 800 э.л.с., класса "М". Проект Фин. 1000/800, будем пользоваться следующими показателями:

• капиталовложения;

• себестоимость электроэнергии;

© Бурмакин О.А., Малышев Ю.С., Варечкин Ю.В., Сычушкин И.В., 2014.

• расход топлива за навигационный период;

• расход денежных средств на покупку топлива;

• экономия денежных средств на покупку топлива за навигацию;

• время окупаемости проекта.

Капиталовложение в основном включает в себя стоимость комплектующих (табл. 1).

Таблица 1

Капиталовложение

№ п/п Наименование Тип(код заказа) Количество, шт Цена за ед., руб. Сумма, руб.

1 Асинхронный двигатель A250S8 2 53700 107400

2 Преобразователь частоты Altivar 71 2 145000 290000

3 Конденсаторная установка УКМ58-0,4-50-5 У1 1 34175 34175

4 Ветроприемник ВВТ "ЭНЭКСИС" 1 500000 500000

5 Транзистор IRG4PSC71UPBF 7 300 2100

6 Диод 80EPF12 12 480 5760

7 Редуктор 1Ц2У 100 2 13300 26600

8 Автоматический выключатель А3110Р 2 1000 2000

9 Автоматический выключатель А3130 1 1300 1300

10 ИТОГ 969335

Расчет себестоимости электроэнергии проведен для следующих случаев: без подключения ВЭУ в ходовом режиме, с использованием ВЭУ в ходовом режиме на 100% и на 50% всего времени.

Среднюю себестоимость электроэнергии определяем по формуле:

Сэ = 10_6 Ст gЬ-*-*- + Ю-6 С^оА + ^,

-Э -Э А

где С т , С - стоимость топлива, включая бункеровочные расходы (в тоннах); д - удельный расход топлива; д = Кт  дн 0 м; Кт =0,98 - коэффициент удельного расхода топлива; А - годовая выработка электроэнергии;

А = ( Рх tx + Р м ^м + Р с tc + Р а ^а) ,

где Рх, Р м , Рс, Ра - нагрузка СЭС в ходовом, маневренном, стояночном и аварийном режи-мах(кВт); tx, tM , tc, ta - продолжительность режимов в течение навигационного периода(ч); К - капиталовложения; К=1,5  К руб. ( с учетом транспортных и монтажных работ).

Снижение себестоимости электроэнергии вызвано уменьшением расхода топлива дизель-генератора, использование ВГУ позволяет снизить себестоимость электроэнергии на 32%, а при использовании ВЭУ на 100% себестоимость уменьшается на 76%. Расход топлива за навигационный период определяется по формуле:

Q = gXP + g-мРм + gcpc + gapa • Таким образом, при загрузке ВЭУ на 100% ее возможностей расход топлива снижается на 34,65т за навигацию. При использовании ВГУ тоже наблюдается снижение расхода топлива. Оно вызвано меньшим удельным расходом топлива главным двигателем по сравнению с дизель-генератором. Однако нельзя забывать, что в этом случае нагрузка на главный двигатель увеличивается.

Расходы денежных средств на покупку топлива:

В = Qu  Ст •

Рис. 1. Себестоимость электроэнергии

50

45

г- 40

« еа 35

30

П с 25

о н 20

« 15

и и 10

« 5

£ 0

Расход

без ВЭУи ВГУ

39,82

с ВГУ без ВЭУ

37,58

с исп. ВЭУ на 50%

20,84

1-1

с исп. ВЭУ на 100%

5,17

Рис. 2. Расход топлива

ю а

1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0

Расходы на топливо

1 1

без ВЭУ и ВГУ с ВГУ без ВЭУ с исп. ВЭУ на 50% с исп. ВЭУ на 100%

1110978 644196 388878 153828

Рис. 3. Расход денежных средств на покупку топлива

Расчет производится с учетом, что стоимость дизельного топлива за тонну для вало-генератора составляет 15000 руб., а для дизель-генератора 27900 руб. Экономия денежных средств на покупку топлива за навигацию

АБ = Б - Б1,

где В1 - расход на топливо при использовании энергосберегающих средств ВЭУ и ВГУ. Расчет окупаемости данного проекта

ОК = К. АВ

3,5 3 2,5 2 « 1,5 >4 § 1 и 0,5 0

с ВГУ без ВЭУ с исп. ВЭУ на 50% с исп. ВЭУ на 100%

Окупаемость 3,1 2 1,5

Рис. 4. Окупаемость проекта

Срок окупаемости проекта внедрения судовой ВЭУ уменьшается в два раза по сравнению со сроком окупаемости ВГУ.

Экологическая безопасность

Воздействие на окружающую среду

В данном проекте разрабатывается электростанция для сухогрузного судна, в состав которой входит валогенераторная и ветроэнергетическая установка. При эксплуатации данного судна с такой электростанцией возникает выброс в атмосферу продуктов горения и воздействие на окружающую среду электромагнитного поля

Количественные и качественные характеристики искусственного ЭМП существенно отличаются от значений, к которым человек и другие объекты биосферы приспособились в течение эволюции, поэтому могут вызвать функциональные нарушения, в связи с этим вполне справедлива постановка вопроса об оптимизации электромагнитных воздействий.

Воздействие напряженности ЭМП на окружающую среду связано с возникновением заряда на предметах, не имеющих связи с землёй. В соответствии с санитарными нормами плотность электромагнитного излучения внутри жилой зоны должна быть не более 0,5 кВ/м, так как электростанция находится в машинном отделении, излучения в окружающую среду практически не будет (настолько мало, что с трудом поддается измерению).

Расчет выбросов продуктов горения в атмосферу за навигационный период

Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят отработавшие газы двигателей. Количество ингредиентов и их масса зависит при прочих равных условиях от сорта и массы сжигаемого топлива.

Масса каждого компонента рассчитывается по формуле:

М = gQ,

где М - масса выбрасываемого вещества, кг; g - удельное содержание вещества в одной тонне сжигаемого топлива, кг/т; Q - масса сжигаемого топлива за рассматриваемый промежуток времени, т.

Расчет выбросов вредных веществ выполняем с учетом расхода топлива без использования ВЭУ и ВГУ (0=43,18 т/нав.) при использовании ВЭУ и ВГУ на 50% (0=25,2 т/нав.) и на 100% 0=7 т/нав. Результаты расчетов сведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчетов выбросов вредных веществ

Выбрасываемое ве- Удельное содер- Масса выбрасы- Масса выбрасыва- Масса выбрасыва-

щество жание вещества в ваемого вещества емого вещества при емого вещества при

однои тонне без ВЭУ и ВГУ, использовании использовании

сжигаемого кг/нав ВЭУ и ВГУ ВЭУ и ВГУ

топлива, кг/т на 50%, кг/нав на 100%, кг/нав

Оксид серы 3,9 168,4 98,2 27,3

Оксид углерода 25,6 1105,4 645,12 179,2

Оксид азота 68,1 2940,5 1716,1 476,7

Углерод 18,1 781,5 456,12 126,7

Сажа 0,9 38,86 22,68 6,3

Бенз-а-пирен 0,006 0,26 0,15 0,042

СО2 38862 22680 6300

Доля выбросов СО2 в атмосферу составляет 90% от массы сжигаемого топлива, поэтому расчет проводится по формуле:

М = 0 -0,9.

в а

-5

а в т с

е ещ

е в

о г о м е а в

ы с

а р

б

ы

в

а с с а

3000 2900 2800 2700

2600 2400 2300 2200 2100 2000

2800 700 600 500 400 300

000 900 800 700 600

300 200 100 0

без ВЭУ и ВГУ, кг/нав

при использова нии ВЭУ и ВГУ на 50%, кг/нав

при использова нии ВЭУ на 100%, кг/нав

§ оксид серы 168,4

оксид углерода 1105,4

У оксид азота 2940,5

углероды 781,558

сажа 38,86

бенз-а-пирен 0,26

98,2

27,3

645,12

179,2

1716,1

476,7

456,12

126,7

22,68

6,3

0,15

0,042

Рис. 5. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ

Таким образом, применение ветроэнергетической установки на судне в совокупности с валогенераторной энергетической установкой значительно снижает потребление топлива и, как следствие, уменьшает стоимость электроэнергии, кроме того, электростанция с ВЭУ и ВГУ с учётом мероприятий по ограничению воздействий не оказывает вредного влияния на окружающую среду и является экологически безопасной.

Библиографический список

1. Городов, Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.

2. http://helixturbineenergy.com/

3. http://greenpeace.narod.ru/windpwr.htm

Дата поступления в редакцию: 22.04.2014

O.A. Burmakin, Yu.S. Malyshev, Yu.V. Varechkin, I.V. Sychushkin

SUBSTANTIATION OF THE EFFECTIVENESS OF SHIPS WIND GENERATOR

INSTALLATIONS

Volga state academy of water transport

Purpose: The definition of efficiency of application of marine wind installations. Approach: Investigation was conducted both numerically and analytically.

Findings: The prospects of introduction of wind power plants on ships of the Northern fleet, as well as the application shaft generator units to reduce the cost of electricity. Defined economic and ecological parameters of the alternative energy sources on the vessel.

Originality/value: the use of wind power plants on the ship together with shaft generator power plant significantly reduces fuel consumption, energy cost and reduces harmful influence on the environment.

Key words: alternative energy source, shaft generator sets, saving energy, wind power sets.