CC BY
207
5. Потребление газа в Ростовской области [Электронный ресурс] / Режим доступа: URL:
http://www.mineconomikiro.ru/a3/a35/dzp /postan_pro886_13.09.2012.pdf.
6. О возможности использования соломы в качестве топлива для коммунальной энергетики [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL: http: //www.biointernational.ru/analytics/851.html.
Сведения об авторах
Таранов Михаил Алексеевич - член-корреспондент РАСХН, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерно-град).
Касьянов Алексей Сергеевич - аспирант кафедры эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинже-нерной академии (г. Зерноград). E-mail: [email protected].
Information about the authors Taranov Mikhail Alexeevich - Corresponding Member of the Russian Academy of Agricultural Sciences (RAAS), Doctor of Technical Sciences, professor, chief of the Operation of power installations and electrical machines department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Kasyanov Alexey Sergeyevich - post-graduate student of the Operation of power installations and electrical machines department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). E-mail: [email protected].
УДК 621.226.3
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ВЕТРОУСТАНОВКЕ © 2013 г. С.М. Воронин, И.В. Закиров
Приведен анализ аккумуляторов энергии для ветроустановок. Предложено использование гидроаккумуляторов вместо электрохимических аккумуляторов.
Ключевые слова: ветроустановки, аккумуляторы энергии, энергоемкость, материалоемкость, гидроаккумулятор.
The authors analyze energy accumulators for wind installations. Is proposed to use hydraulic accumulators instead of electrochemical batteries.
Key words: wind installations, energy accumulators, energy capacity, material capacity, hydraulic accumulator.
В настоящее время в аграрном секторе России существуют небольшие фермерские хозяйства, которые значительно удалены от централизованного электроснабжения, кроме того, у крупных хозяйств также имеются автономные потребители электроэнергии. Для таких хозяйств
наиболее приемлемым является автономное электроснабжение, которое может быть реализовано различными способами.
В частности в настоящее время заинтересованность в применении ветроэнергетических установок (ВЭУ) для автономного электроснабжения объектов АПК воз-
растает как во всем мире, так и в Российской Федерации в частности. В России существует значительный нереализованный потенциал в области ветроэнергетики, который составляет около У общего потенциала всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако нерегулярность ветра препятствует эффективному внедрению ВЭУ, так как возникает проблема низкой надежности поставки вырабатываемой электроэнергии потребителю, что вынуждает запасать энергию в аккумуляторах или дублировать ветроустановки топливными электростанциями. Учитывая возможное истощение углеводородного топлива и его отрицательное влияние на
экологию, более перспективным следует считать аккумулирование энергии.
Ранее проведенными исследованиями [1] установлено, что ветер с необходимой скоростью может отсутствовать несколько дней (рисунок 1). В этом случае приходится завышать мощность ветроустановки и увеличивать емкость аккумуляторных батарей. Расчеты показывают, что для надежного автономного электроснабжения емкость аккумуляторов составляет 100— 200 А-ч на 1 кВт нагрузки при напряжении 220 В. Таким образом, аккумулирование энергии, решая экологические проблемы, в то же время усиливает проблему стоимости автономных ветроэлектростанций.
ев Ч О
а
ш
с
Л
н о о к
-а
Ч ш н
н о
ч о ч о а С
60 50 40 30 20 10 0
10
15
20
Скорость ветра, м/с
0
5
1 - нерабочий; 2 - энергетический период Рисунок 1 - Продолжительность энергетических и нерабочих периодов, наступающих с вероятностью 0,95 для Ростовской области
В этой связи была поставлена цель -найти перспективные аккумуляторные системы, не требующие высоких денежных затрат на аккумулирование энергии.
Ранее проведенный анализ [1] показал, что наиболее эффективными в автономных электростанциях являются электрохимические аккумуляторы. Это объясняется минимально возможным числом преобразований аккумулируемой энергии и возможностью хранить электроэнергию
некоторое, достаточно продолжительное время. Другие виды аккумуляторов или требуют крупногабаритных материалоем-ких сооружений, или не способны хранить накопленную в них энергию. Однако еще не исчерпаны возможности повышения их эффективности.
Все виды аккумуляторов можно классифицировать следующим образом (рисунок 2).
Сдерживающим фактором применения электрохимических аккумуляторов, несмотря на такие достоинства как компактность и высокий КПД, является их высокая стоимость. При обеспечении надеж-
ности автономного электроснабжения не менее 0,9 стоимость аккумуляторных батарей уравнивается со стоимостью ветро-электростанции.
Аккумудяторы эйергш
Электрохимические
С жидким -* электролитом
С твердым электролитом
> Кислотные
Щелочные
I
Механические
Кинетической энергии
Пневматические
Пружинные
Гравитационные
Теаювые
Другие
За счет смены фазового состоши вещества
Индуктивные эдкосители
Топливные элементы
Рисунок 2 - Классификация аккумуляторов энергии
В качестве альтернативы электрохимическим аккумуляторам были рассмотрены механические аккумуляторы, которые предназначены для сохранения механической энергии и подразделяются по виду запасаемой энергии, потенциальной или кинетической. К первому виду относятся пневматические, пружинные и гравитационные аккумуляторы. Пружинные аккумуляторы запасают энергию в сжатой, растянутой или закрученной пружине, которая пропорциональна квадрату перемещения. Пневматические аккумуляторы запасают энергию сжатого газа, которая равна произведению его давления и объема. Наиболее простой аккумулятор - это поднятое над землей тело (твердое или жидкое). К сожалению, удельная энергоемкость таких аккумуляторов невелика. Например, для
нагрева 1 литра воды от 20 °С до кипения потребуется поднять на высоту 10 метров груз массой 3425 кг. В силу малой энергоемкости потенциальные аккумуляторы весьма материалоемки, что препятствует их широкому применению.
Более эффективны по энергоемкости кинематические или гироскопические аккумуляторы. В этих аккумуляторах запасается кинетическая энергия во вращающемся маховике. Запасенная энергия определяется по известной формуле
Е =
2
где Е - энергия вращающегося маховика, Дж; 2
J - момент инерции маховика, кг-м ; ю - частота вращения маховика, с-1.
Следовательно, увеличивая угловую частоту вращения маховика, можно добиваться значительных запасов энергии.
Проведенный краткий анализ показал, что механические аккумуляторы рас-
смотренных видов (потенциальной и кинетической энергии) обладают противоположными характеристиками (таблица 1).
Таблица 1 - Сравнительные характеристики механических аккумуляторов
Аккумуляторы по виду запасаемой энергии Достоинства Недостатки
Потенциальная энергия Возможность хранить запасенную энергию Малая энергоемкость
Кинетическая энергия Высокая энергоемкость 1. Невозможность хранить запасаемую энергию. 2. Уменьшение частоты вращения по мере расходования энергии.
1 - ВЭУ; 2 - блок управления и преобразования напряжения; 3 - перфорированный участок обсадной трубы; 4 - поворотное перфорированное кольцо; 5 - емкость для накопления воды; 6 - обсадная труба; 7 - погружной насос; 8 - электрогенератор; 9 - гидротурбина; 10 - питающая скважина; 11 - поглощающая скважина Рисунок 3 - Ветроэнергетическая установка со скважинной гидроаккумулирующей системой
Отмеченные недостатки аккумуляторов второго вида ограничивают их применение в ветроэнергетике только в качестве стабилизаторов частоты вращения ветро-колес пропеллерного типа.
Аккумуляторы первого типа в малой ветроэнергетике практически не применяются из-за низкой энергоемкости, что в свою очередь порождает высокую материалоемкость. Однако, на наш взгляд, еще не
раскрыты и не использованы все возможности снижения материалоемкости, в частности, практически не рассмотрены возможности использования природных условий, что может значительно повысить эффективность. Например, учет природных условий позволил применять гидроаккуму-лирующие ГЭС, эффективность которых доказана и проверена.
Для повышения эффективности гравитационных аккумуляторов предлагается использовать скважины (рисунок 3).
Система работает следующим образом.
1. Режим накопления энергии.
Если вырабатываемая ВЭУ 1 электроэнергия частично или полностью не используется потребителем, то полученное от ветрогенератора постоянное напряжение преобразуется инвертором в переменное и используется для питания электродвигателя погружного насоса 7. Погружной насос 7 перекачивает воду из питающей скважины 10 в емкость для накопления воды 5, причем поворотное перфорированное кольцо 4 находится в положении «закрыто» (отверстия в кольце 4 и в перфорированном участке обсадной трубы 3 не совпадают). Накопление воды прекращается в случае полного заполнения емкости 5, остановки ветроколеса вследствие снижения скорости ветра, и если потребителю потребуется вся электроэнергия, вырабатываемая ВЭУ 1.
2. Режим потребления накопленной энергии.
Если ВЭУ 1 не способна обеспечить потребителя необходимым количеством электроэнергии вследствие отсутствия ветра или его недостаточной скорости, то поворотное перфорированное кольцо 4 переходит в положение «открыто» (отверстия в кольце 4 и в перфорированном участке обсадной трубы 3 совпадают), и вода из емкости 5 поступает в поглощающую скважину 11. Поток воды вращает гидротурбину 9, которая соединена с якорем электрогенератора 8. Электрогенератор 8 вырабатывает электроэнергию, которая поступает на блок управления и преобразования напряжения 2 и затем к потребителю.
Выводы
- аккумулирование энергии, вырабатываемой ВЭУ, является наиболее перспективным способом повышения надежности электроснабжения потребителя;
- сдерживающим фактором применения электрохимических аккумуляторов, несмотря на такие достоинства как компактность и высокий КПД, является их высокая стоимость;
- использование скважин для повышения эффективности гидравлических аккумуляторов увеличивает возможности применения последних в системах автономного электроснабжения.
Литература
1. Воронин, С.М. Возобновляемые источники энергии и энергосбережение / С.М. Воронин, С.В. Оськин, А.Н. Головко. - Краснодар: ФГОУ ВПО КубГАУ, 2006 - 268 с.
Сведения об авторах Воронин Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры энергетики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 42-4-00.
Закиров Илья Валерьевич - аспирант кафедры энергетики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 42-4-00.
Information about the authors Voronin Sergey Mihaylovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Power engineering department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 42-4-00.
Zakirov Ilya Valeryevich - post-graduate student of the Power engineering department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 42-4-00.
