Опыт использования альтернативных источников энергии для электроснабжения музея-заповедника «Куликово поле»

УДК 620.92

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МУЗЕЯ-ЗАПОВЕДНИКА

«КУЛИКОВО ПОЛЕ»

А.С. Исаев, О.Е. Лагуткин

Рассмотрены преимущества использования возобновляемых (альтернативных) источников электроэнергии на примере использования ветроэнергетической станции (ВЭС). Объектом исследования является - туристический комплекс «Куликово поле» (село Монастырщина, Тульская обл.). Предложены варианты обобщенной структурной схемы ВЭС, выбран тип ветроэнергетической установки (ВЭУ) с обоснованием основных параметров и критериев выбора. Предложена алгоритмически и реализована программно (MatLab) математическая модель ВЭУ для исследования переходных процессов в различных режимах работы.

Ключевые слова: возобновляемые источники, ветроэнергетические установки, мощность, скорость ветра, ветровой потенциал, ветроэнергетическая станция.

В настоящий момент доля электроэнергии, вырабатываемой на основе возобновляемых и нетрадиционных источников энергии, является значительной и неуклонно растет. Например, в Дании таким образом уже в настоящее время вырабатывается 29 % всей электроэнергии, в Германии -11 %, в Канаде - 19 % [1].

Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Германия и Новая Зеландия планируют к 2020 году производить 20% электроэнергии из энергии ветра. Европейским Союзом планируется к 2010 году установить 40 тыс. МВт ветрогенерато-ров, а к 2020 году - 180 тыс. МВт. В Китае принят Национальный План Развития. В соответствие с ним планируется, что установленные мощности ветрогенераторов Китая должны вырасти до 30 тыс. МВт к 2020 году [2].

Россия значительно уступает по этому показателю. Даже с учетом объективных факторов это является «узким местом» электроэнергетики РФ. Поэтому проведение работ, направленных на использование альтернативных и возобновляемых источников электроэнергии, является актуальным [3].

В работе решена задача исследования возможности использования ветрового потенциала в районе музея-заповедника «Куликово поле» (вблизи села Монастырщина и Красного холма, Куркинский район); проведен сравнительный анализ нескольких вариантов ВЭС с отечественными и зарубежными ВЭУ различной номинальной мощности (8, 10, 16, 30, 60 и 100 кВт), позволивший выбрать и обосновать оптимальный с экономической и технической точек зрения вариант ВЭС; разработана схема ВЭС, обеспечивающая бесперебойность электроснабжения потребителя [4].

209

По статистике метеонаблюдений в центральном федеральном округе и Тульской области средняя годовая скорость ветра составляет 4,7...5,5 м/с на высоте 10 м от земли. На холмах средне-русской возвышенности, на высоте около 20м, среднегодовая скорость ветра достигает уже 8...9 м/с, что позволяет отдельным ВЭУ с номинальной мощностью 10...12 кВт работать с полной нагрузкой. Однако в отдельно взятых районах региона значения среднегодовых скоростей могут существенно отличаться. В связи с этим, для получения информации о реальных режимах скорости ветра на берегу р. Непрядвы в районе села Монастырщина (колокольня церкви у памятника Дмитрию Донскому и у Красного холма) были проведены ее регулярные измерения на высоте 8 м от земли. Измерения проводились с помощью стандартного трехчашечного анемометра М-92. Анемометр снабжен заводским тарировочным графиком для определения скорости ветра по числу замыканий контакта за 10-минутный период времени. Полученные результаты позволяют утверждать, что потенциал энергии ветра объекта исследования достаточен для питания непромышленной нагрузки и может быть использована ВЭУ мощность до 1 кВт.

Для анализа режимов работы построена математическая модель ВЭУ. В качестве инструментального средства принят MatLab, библиотека Simulink. Построенная модель позволяет исследовать переходные режимы при изменении скорости ветра и нагрузки. Исследована динамика частоты вращения вала и механического момента для двух режимов (пуск ВЭУ, подключение нагрузки).

Согласно [5], крутящий момент на валу ветроколеса указанного типа создается аэродинамическими силами, возникающими при взаимодействии ветра с рабочими поверхностями крыльев, поперечные сечения которых имеют специальную форму.

Входные переменные модели разделены на две категории: конструктивные параметры установки (максимальный и минимальный диаметры ветроколеса, максимальная и минимальная шири на лопасти, число лопастей, момент инерции, оптимальный угол атаки, аэродинамические коэффициенты профиля крыла); независимые входные переменные (скорость ветра, плотность воздуха, момент нагрузки на валу, угол установки крыла).

Разработанная модель позволяет при известных конструктивных параметрах ВЭУ получить для различных скоростей ветра механические и энергетические характеристики, оптимальные сочетания значений шага лопастей, частоты вращения и момента нагрузки и закон управления, обеспечивающий максимум коэффициента использования энергии ветра.

Проведен выбор типа ВЭУ по экономическим критериям (таблица). Установлено, что оптимальную степень использования номинальной мощности имеет ветроустановка типа А-ВЭС-ВТ-8-39 с номинальной мощностью Рном = 8 кВт. Стартовая и номинальная скорости ветра для нее имеют минимальные значения, равные соответственно 3 и 8 м/с. Предпочтительны по сравнению с остальными группами и ее габариты: диаметр вет-роколеса DВ = 12 м и высота башни ВЭУ ^ = 15 м, что снижает расходы на ее монтаж.

Технико-экономические показатели промышленных ВЭУ

Тип ВЭУ

Параметр А-ВЭС-ВТ-8-39 WE10000 А-ВЭС-ВТ-16-84 ВТН16-30 А-ВЭС-ВТ-60-300 ВЭУ-100М

Номинальная мощность, кВт 8 10 16 30 60 100

Оптимальная

скорость ветра, м/с 8...10 8...10 8...10 9 8...10 9,5

Минимальная

скорость ветра, м/с 3 3 3 4 3 4

Диаметр колеса, м 12 8,9 14 16 18 20

Высота башни, м 15 12 20 по заказу 24 26,3

Себестоимость, у-е- 18000 28 000 27000 38000 78000 110 000

N шт 11 19 8 6 6 4

Выполнен эскиз расположения ВЭС на левом берегу р. Непрядвы напротив музейного комплекса, расположенного к северо-востоку от села Монастырщина. К основным преимуществам такого расположения можно отнести следующее: 1. На луговине левобережья р. Непрядвы нет исторических памятников и ВЭУ ветростанции хорошо впишутся в окружающий ландшафт, не нарушая его. 2. На территории установки ВЭУ отсутствуют лесопосадки и любые другие насаждения, которые было бы необходимо уничтожить. Это исключает эрозию почвы. 3. Открытость места расположения очень выгодна с точки зрения отсутствия преград для ветра, что поможет оптимально использовать его энергетический потенциал.

Таким образом, при разработке проекта ветроэнергетической электростанции мощностью 60 кВт были решены следующие задачи:

1. Для получения достоверной и точной информации о реальных режимах скорости ветра в окрестностях села Монастырщина и у Красного холма с 8 октября по 9 ноября 2010 г были проведены ее регулярные измерения на высоте 8 м от земли с непрерывной автоматической регистрацией и последующей расшифровкой результатов измерений.

2. На основании сделанного по данным наблюдений расчета среднемесячной скорости ветра определена его среднегодовая скорость в соответствии с методикой расчета, приведенной в [6].

3. Установленная мощность потребителей нового туристического комплекса музея-заповедника «Куликово поле» составляет 57,1 кВт.

4. По полученному значению среднегодовой скорости ветра в результате проведенного сравнительного анализа и по требуемой установленной мощности выбран такой тип ветроустановки, который обеспечивает минимальные капитальные затраты при строительстве ВЭС и самый вы-

сокий коэффициент использования номинальной мощности ВЭУ по сравнению со всеми другими типами ВЭУ, выпускаемыми отечественной и зарубежной промышленностью.

5. С учетом установленной мощности потребителя разработаны два варианта обобщенной принципиальной схемы ВЭС мощностью 60 кВт для электроснабжения туристического комплекса музея-заповедника «Куликово поле», предусматривающие в случае необходимости автоматическое переключение потребителя с выхода ВЭС к электрической сети общего пользования, используемой в качестве резервного источника, и наоборот. Надежное энергоснабжение осуществляется также за счет оптимально подобранной емкости аккумуляторных батарей. При наличии излишек электроэнергии ВЭС будет передавать их в сеть общего пользования. Варианты схем ВЭС различаются степенью дифференциации индивидуальных потребителей электроэнергии.

6. Установлено, что электрическая емкость аккумуляторной батареи одной ВЭС должна составлять не менее 6550 Ач. Это обеспечит в штиль резервное электроснабжение потребителя без обращения к сети общего пользования в течение суток.

7. Получено суммарное расчетное количество электроэнергии, вырабатываемой ВЭС (около 560 тыс. кВтч в год).

8. Определено, что срок окупаемости предлагаемого варианта ВЭС составляет приблизительно 3,5 года.

Список литературы

1. Использование энергии ветра (герм). [Электронный ресурс]. URL: http://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/energiewende.html (дата обращения: 23.08.2017).

2. Global Wind Statistics 2016 10.02.2017 // Отчет Global Wind Energy Council [офиц. сайт]. [Электронный ресурс]. URL: http://www.gwec.net/ global-figures/graphs/ (дата обращения: 13.02.2017).

3. Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. 3-е изд., доп. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. 424 с.

4. Исаев А.С., Куницкий Д.С. Разработка ветроэнергетической электростанции для электроснабжения музея-заповедника «Куликово поле». // XVIII научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов, студентов. Тезисы докладов. Ч. 3 / ФГБОУ ВО РХТУ им. Д.И. Менделеева. Новомосковск, 2016. С. 68.

5. Советов Б.Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1999. 271 с.

6. Фатеев Е.М. Методика определения параметров ветроэнергетических расчетов ветросиловых установок. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 88 с.

212

Исаев Андрей Станиславович, канд. техн. наук, доц., claude_@newmsk. tula.net, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Лагуткин Олег Евгеньевич, канд. техн. наук, доц., oleg.lagutkinahk.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева

EXPERIENCE OF USE OF ALTERNATIVE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF MEMORIAL ESTATE «KULIKOVO POLE».

A.S. Isaev, O.E. Lagutkin

In work results of supervision over a wind situation are given in the neighhor-hood of the village of Monastyrshchina and the Red hill where the main constructions of the memorial estate «Kulikovo pole» on the hasis of which the assessment of wind potential is given are located and the average annual speed of a wind in this district which allowed to choose type and number of wind power installations (VEU) for wind power plant (VES) with justification of the VEU parameters - the rated power, rated speed of a wind, diameter of a vetror-ings, etc. is determined; two versions of the generalized hlock diagram of VES with the demanded rated volume of 60 kW on the hasis of the chosen A-VES-VT-8-39 VEU are offered; the assessment of the main indicator of efficiency at construction is made any, including wind, power plants - a payback period of capital investments.

Key words: renewable sources, wind power installations, power, wind speed, wind potential, wind power station.

Isaev Andrey Stanislavovich, candidate of technical science, docent, claude a newmsk. tula. net, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk institute of RHTU of D.I. Mendeleyev,

Lagutkin Oleg Evgenyevich, candidate of technical science, docent, oleg. lagutkinahk. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk institute of RHTU of D.I. Men-deleyev