К вопросу об использовании ветроэнергетических установок (ВЭУ) для электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса

© Л.А. Плащанский, И.С. Ерохин, 2012

УДК 621.311.245

Л.А. Плащанский, И.С. Ерохин

К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ВЭУ) ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА

Приведен анализ эффективности применения ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мировой практике и в России. Рассмотрена структура ВЭУ, их основные элементы и параметры, от которых зависит эффективность работы. Приведены, на наш взгляд, перспективные направления в области принятия технических решений для совершенствования энергетических показателей ВЭУ для различных регионов и предприятий минерально-сырьевого комплекса.

Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетические установки, аккумулирование электроэнергии, фильтрокомпенсирующие устройства.

Истощение ископаемых природных ресурсов, ухудшение экологической ситуации, аварии на атомных электростанциях заставляют задуматься об использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Под ВИЭ подразумевают энергию солнца, ветра, гидроэнергию малых рек, геотермальную энергию земли, энергию морских волн и др. На территории России сосредоточен огромный потенциал ВИЭ, использование которых может обеспечить энергетическую безопасность с учетом перспективного плана развития страны.

Одним из наиболее перспективных направлений альтернативной энергетики следует выделить энергию ветра. На протяжении многих столетий человечество использует данный источник энергии. Но возможность использования энергии ветра в промышленных масштабах появляется только сейчас, в связи с появлением ветроэнергетических установок (ВЭУ) большой мощности и осведомленностью о рациональности использования данного источника энергии.

Приведем статистику использования ветроэнергетики по различным странам (суммарные установленные мощности).

По оценкам ассоциации WWEA (World Wind Energy Association) к концу 2011г. установленная мощность всех ВЭУ должна была достигнуть 240 ГВт.

По прогнозам доля ветроэнергетики в Дании к 2020 г. составит 50 %, в Германии порядка 19,6 %.

Одним из основных показателей при проектировании ВЭУ является средняя годовая скорость ветра. Рассмотрим сведения метеостанций по промышленным городам России.

Как правило, анемометры метеостанций расположены на высоте 10м над поверхностью земли. Определение скорости ветра на высоте оси ротора ВЭУ осуществляется путем экстраполяции с использованием известной формулы:

где VQ — скорость ветра на высоте установки анемометра; Н1 — высота

Таблица 2

Средняя годовая скорость ветра на высоте 50 м над поверхностью земли

Таблица 1

Статистика использования ветроэнергетики по различным странам

№ Страна 2005 г., МВт 2011 г., МВт

1 Китай 1260 62733

2 США 9149 46919

3 Германия 18428 27075

4 Испания 10028 21673

5 Индия 4430 15800

6 Италия 1718 6747

56 Россия 14 17—18

Город Средняя годовая скорость ветра, м/с Повторяемость различных градаций скорости ветра за год, %

0—2 м/с 3—6 м/с >7 м/с

Архангельск 3,8 20 76 4

Воркута 5,6 6 63 31

Калининград 5,1 13 66 21

Кемерово 4,9 18 75 7

Кемь 5,1 12 43 17

Ковдор 4,24 15 77 8

Котельниково 5,63 9 56 35

Курильск 7,1 7 39 54

Ленинск-Кузнецкий 4,24 18 74 8

Магнитогорск 5,12 11 64 25

Мурманск 5,64 10 61 29

Новороссийск 5,5 12 59 29

Новосибирск 4,14 18 74 8

Норильск 5,4 9 60 31

Оленегорск 5,64 10 61 29

Охотск 4,5 18 62 20

Петропавловск- 5,9 11 52 37

Камчатский

Ростов-на-Дону 5,2 11 63 26

Старый Оскол 4,31 17 73 10

Уссурийск 4,86 15 68 17

оси ротора; Н0 — высота расположения анемометра; к — степенной показатель, зависящий от ландшафта местности (к = 0 — 0,44).

Учитывая характер расположения метеостанций (сооружаются в наименее ветряных местах), можно говорить о необъективности данных и не-272

обходимости детального обследования характерных мест для проектирования ВЭУ.

С учетом анализа вышеприведенной таблицы, карт ветровой и солнечной энергии России следует выделить несколько промышленных городов, где применение ветровых уста-

Рис. 1. Рабочая характеристика ВЭУ

Скорость ветра, м/с

Таблица 3

Годовое производство электроэнергии для различных градаций скорости ветра

Скорость ветра, м/с Годовое производство электроэнергии, МВт-ч

6 7533

7 10104

8 12394

9 14322

новок (автономно и в комплексе с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП)) экономически целесообразно: Архангельск, Воркута, Олене-горск, Петропавловск-Камчатский, Котельниково, Новороссийск, Норильск, Мурманск, Ростов-на-Дону.

Ведущими производителями ВЭУ являются Vestas (Дания), Sinovel (Китай), GE Energy (США), Goldwind (Китай), Enercon (Германия), Suzlon Energy (Индия), Gamesa (Испания), Siemens Wind (Германия). Компании выпускают широкий диапазон ветряков различных технических конфигураций с расчетными мощностями достигающими 7,5МВт (ветряк E-126, компания Enercon).

Рассмотрим основные технические характеристики ВЭУ на примере ус-

тановки V112-3.0MW производства Vestas.

Номинальная мощность — 3075 кВт;

Скорость ветра, при которой происходит включение — 3 м/с;

Номинальная скорость ветра — 12 м/с;

Скорость ветра, при которой происходит отключение — 25 м/с;

Рабочий диапазон температур — (-30°С до +40°С);

Диаметр ротора — 112 м;

Площадь окружности ротора — 9852 м2;

Частота тока — 50Гц/60 Гц;

Тип генератора — на постоянных магнитах;

Высота мачты — 84 м/ 94 м/ 119 м;

Длина лопасти — 54,6 м.

Мощность ветрогенератора определяется по формуле:

P =

psv

где р — плотность воздуха, кг/м3; 5 — площадь окружности ротора, м2; V — скорость ветра, м/с.

Более точные значения мощности ветрогенератора можно определить по зависимости:

P =

2

где — коэффициент использования

энергии ветра (зависит от аэродинамических свойств лопастей ВЭУ); цген — КПД генератора, %; цмул —

КПД мультипликатора, %.

Таким образом, номинальная мощность устанавливается при скорости ветра 12 м/с. Выработка электроэнергии в диапазоне скорости ветра от 3 м/с до 12 м/с зависит от технических параметров установки и внешних параметров среды (следует учитывать плотность воздуха, которая коррелированна от температуры р = = 1,18 кг/м3 при 25°С, р = 1,29 кг/м3 при 0°С, р = 1,42 кг/м3 при 25 °С).

Учитывая высоту расположения мачты мощных ВЭУ (свыше 50 метров), производительность установок, характерные места проектирования ветряков и характер ландшафта местности (низкая шероховатость поверхности) можно утверждать, что размещение ветряков в прибрежных районах является эффективным методом получения электроэнергии. В районах с меньшей силой ветра ВЭУ можно использовать в комплексе с фотоэлектрическими преобразователями.

В последние годы появился новый класс ВЭУ (оффшорные), которые располагаются на водной поверхности и монтируются ко дну океана. Такие ветроэнергетические парки особенно эффективны. Ежегодно доля

оффшорных ВЭУ в ветроэнергетике стран мира увеличивается, демонстрирую колоссальные темпы роста. Разработаны прототипы и проводятся исследования концептуально новых ВЭУ на плавучей платформе, с плавающим основанием (компании Siemens AG и Stat oil) и установки, парящие в воздушном пространстве на высоте до 304 метров (компания Magenn). Данные разработки вскоре займут свой сегмент рынка и расширят карту ветроэнергетики мира.

Необходимость внедрения ветряных энергетических установок обусловлена рядом факторов:

1. Для труднодоступных (изолированных) предприятий — проблема поставки энергоносителей, сырья на отопительный период играет важную роль, порой невыполнимую задачу (разработка новых месторождений).

2. Экология (плохая, а иногда и трагичная обстановка в агломерациях заставляет задуматься об экологически чистом получении энергии).

3. Истощение невозобновляемых (органических) природных ресурсов. Разработка труднодоступных месторождений в будущем возможно станет нерентабельно, учитывая высокие темпы развития альтернативных источников энергии в развитых странах.

4. Экономическая выгода. Использование нетрадиционных источников энергии позволяет промышленным предприятиям избежать издержек на приобретение электроэнергии, что в свою очередь влечет к снижению себестоимости выпускаемой продукции и добываемого сырья, а также приводит к конкурентоспособности предприятия в целом. При правильной маркетинговой политики предприятия могут привлечь инвесторов, что характерно для крупных промышленных холдингов, экспортирующих свою

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГИЯ

Среднегодовая с корнем, вора:

мен« 3 »с 3 Коишекс 1ПУ и СОИ

^НН от 3 м/с до 5 м/с

более 5 и/с • ЮУ

Рис. 2. Среднегодовые скорости ветра по территории РФ

Рис. 3. Типовая схема электроснабжения на базе ВЭУ: ВЭС — ветроэлектростанция; ВК — ветроколесо; М — мультипликатор; Г — генератор переменного тока; СШ — сборный шины; В — выпрямитель; АБ — аккумуляторная батарея; И — инвертор; ФКУ — фильтрокомпенсирующее устройство; Т — трансформатор

продукцию (сырье) заграницу (в каче- 5. Обеспечение энергетической стве показателя высокой развитости и безопасности в рамках перспективно-заботе об экологической обстановке). го плана развития страны.

В связи с низкой концентрацией кинетической энергии ветра и непостоянством интенсивности ветра с течением времени необходимо аккумулирование энергии. Это обеспечит надежность электроснабжения потребителей. Существует множество различных типов аккумулирующих устройств, а именно: электрохимические, теплоемкостные, механические, на основе обратимых фазовых переходов, на основе обратимых химических реакций, на базе супермаховиков.

Аккумулирование электроэнергии является ключевым вопросом в развитии ветроэнергетики. Наиболее распространенным и общеизвестным способом является применение электрохимических аккумуляторов (свинцово-кислот-ные, никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные, литий-полимерные, натрий-серные). В настоящее время использование данных аккумуляторов ограничено, ввиду ряда недостатков, которые характеризуются параметрами устройств (количество циклов заряда/разряда, быстрого саморазряда, условиям эксплуатации, удельной энергоёмкости, дороговизны и экологично-сти применяемых веществ).

В современной энергетике есть несколько нетрадиционных экспериментальных примеров аккумулирования электроэнергии, полученной из кинетической энергии ветра. Рассмотрим некоторые из них:

Одной из основных технологий, применяемых в настоящее время, является гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В комплексе с ВЭУ принцип работы заключается в следующем: в период высокой интенсивности энергии ветра электроэнергия, генерируемая ВЭУ, расходуется на работу насосов, которые закачивают воду в верхний бьеф. При снижении энергии ветра или штиле вода из водохранилища под высоким давлением подается на гидротурбины, которые покрывают недоста-

ток электроэнергии. Эффективность системы гидроаккумулирования составляет порядка 70-85 %. Системы ГАЭС, мощностью от десятков МВт до нескольких ГВт функционируют во многих странах мира (США, Япония, Китай, Норвегия). Данной технологией осуществляется электроснабжение целого острова (Эль Иерро) Канарского архипелага. Очевидным недостатком таких систем является ограниченность географическим положением, ввиду необходимости наличия перепада высот для реализации системы.

Другим технологическим решением проблемы является аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха (Compressed Air Energy Storage (CAES)). Так в период выработки излишков энергии, она расходуется для нагнетания воздуха в соляную шахту. При провалах в выработки электроэнергии сжатый воздух подается на турбомаши-ну, расположенную на поверхности — генерируемая энергия компенсирует нехватку электроэнергии в сети. Эксплуатационные проблемы такой концепции заключаются в нагревании закачиваемого воздуха и тепловой потери энергии в окружающую среду.

Наиболее перспективным направлением является аккумулирование электроэнергии при помощи супермаховиков. Маховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, который помещается в вакуумную камеру на магнитном подвесе (используется магнитные подшипники). Двигатель-генератор применяется для разгона супермаховика и генерации аккумулированной энергии в зависимости от режима работы. Преимуществами супермаховиков является высокая плотность энергии, низкие потери энергии (КПД составляет 98 %), возможность регулирования частоты сети, компактность и простота обслуживания. К недостаткам можно отнести необходимость использования материалов высокой прочно-

сти (углеродное волокно, кварцевое стекло), способных выдерживать сверхвысокие скорости вращения.

Применение нетрадиционных методов аккумулирования электроэнергии свидетельствует о рентабельности и рациональности применения ВЭУ. На текущий момент не существует универсальной технологии аккумулирования — при проектировании ВЭУ данный вопрос необходимо рассматривать в индивидуальном порядке, учитывая ландшафтное и климатическое месторасположения ветряка, проводя технико-экономический анализ. Наиболее инновационными методами являются разработки в области аккумулирования электроэнергии на базе супермаховиков, сверхпроводников и на основе водорода. Технический прогресс и конкуренция на рынке сбыта со временем создаст оптимальный вариант аккумулирующих устройств, что впоследствии приведет к ещё большему распространению ВЭУ. Вопрос аккумулирования электроэнергии актуален и заслуживает детального изучения.

Выводы

1. Множество предприятий минерально-сырьевого комплекса изолированы или находятся на значительном расстоянии от центральной энергосистемы. В недалеком будущем начнется динамичное освоение минерального сырья, залегающего на континентальном шельфе и месторождений Северного Ледовитого океана. Для

обеспечения надежности и устойчивости электроснабжения потребителей с большой протяженностью линий электропередач (ЛЭП) возникает необходимость применения статических тиристорных компенсаторов, управляемых шунтирующих реакторов, асинхронизированных машин. В совокупности с транзитными потерями, сроками прокладки и формальными проблемами отвода участков для трасс ЛЭП такие сети имеют высокую стоимость. В таких случаях наиболее эффективным и целесообразным способом электроснабжения являются ВЭС.

2. Необходимы научные исследования для решения проблемы аккумулирования электроэнергии (выбор способа и оптимальной мощности аккумулирующих устройств), вырабатываемой ВЭС. В данном вопросе необходимо руководствоваться многолетними метеоданными и учитывать характер нагрузки.

3. Применение полупроводниковой преобразовательной техники в сетях электроснабжения на базе ВЭУ обуславливает появление высших гармоник тока и напряжения. Важно выявить характерные места установки и способы регулирования ФКУ.

4. Для обеспечения маневренности ВЭС необходима полная автоматизация всех процессов и как следствие осуществление контроля и учета электроэнергии, передаваемой в единую энергосистему (в схемах электроснабжения с применением АВР).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. World Wind Energy Association, Half-year Report, August 2011.

2. Метеостатистика городов РФ.

3. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Изда-тельско-полиграфическое объединение «Юпитер», 1996. — 245с.

4. Нуждин В.Н., Просвирнов А.А. Новая жизнь центрифуги или аккумулирование энергии. — Журнал «Атомная стратегия» № 27, январь 2007 г. ШИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Плащанский Леонид Александрович — кандидат технических наук, профессор, Ерохин Илья Сергеевич — студент, e-mail: cool-ilya@yandex.ru, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru.