Анализ автономных ветроэлектростанций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сведения об авторах

Попандопуло Константин Христофорович - канд. техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Азово-Черноморской государственной агроин-женерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-0-66.

Ксенз Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 43-7-94.

Сидорцов Иван Г еоргиевич - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Физика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерно-град).

Сорокин Борис Николаевич - Глава Администрации Целинского р-на Ростовской области. Тел. 8(86324) 40-4-45.

Information about the authors

Popandopulo Konstantin Khristoforovitch - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-0-66.

Ksenz Nikolay Vasilievitch - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8(86359) 43-7-94.

Sidortsov Ivan Georgievitch - Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Sorokin Boris Nikolaevitch - Head of Tselinsky District Administration, Rostov region. Phone: 8(86324) 40-4-45.

УДК 621.311.245

АНАЛИЗ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ © 2010 г. С.М. Воронин, Л.В. Бабина

Приведен анализ ветрустановок для автономных ветроэлектростанций. Показано, что наибольшей эффективностью обладают автономные ветроэлектростанций с ортогональной ветроустановкой.

Ключевые слова: автономные ветроэлектростанции, ветроустановки, коэффициент использования мощности, КПД, стоимость электроэнергии.

The authors analyze wind installations for stand-alone wind-driven electric power stations. It is shown that the latter with an orthogonal wind installation possess the greater efficiency.

Key words: stand-alone wind-driven electric power stations, wind installation, capacity factor, coefficient of efficiency, energy cost.

Автономные ветроэлектростанции наиболее приемлемо использовать для электроснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи на расстояние нескольких километров и имеющих нагрузку до 5 кВт [1]. Такие объекты могут иметь трехфазные и однофазные приемники электроэнергии. Учитывая высокую стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектростанциями, актуальны вопросы их оптимального формирования, в частности, технико-экономический анализ.

Особенностью работы автономных ветроэлектростанций является их изолированность от системы централизованного электроснабжения и непостоянная потребность в электроэнергии. Учитывая, что ветер является нерегулярным источником энергии, обеспечить высокую надежность электроснабжения можно только путем резервирования ветроустановки. В качестве резерва могут выступать топливные электростанции, солнечные электростанции, аккумуляторы энергии или их различные сочетания. В настоящей статье рассматри-

ваются автономные ветроэлектростанции с электрохимическими аккумуляторами.

Основой ветроэлектростанции является ветроустановка, приводящая во вращение генератор. Если используется генератор переменного тока, то кроме стабилизации напряжения (что технически решается весьма просто) необходима еще и стабилизация частоты тока. В этой связи в составе электростанций применяются крыль-чатые ветроустановки или ветроустановки пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Эти ветроустановки легко обеспечивают стабилизацию частоты вращения вала при плавном изменении скорости ветра. Кроме того, обладая высокой быстроходностью, они справляются и с порывами (провалами) ветра [2]. Однако эти ветро-установки требуют установки на ветер и, при изменении его направления, теряют мощность. Потери энергии за период установки на новое направление ветра могут достигать 3,5% (рис. 1), а при частой смене направления ветра суммарные потери могут достигать 50% [3].

Скорость ветра 5,5 м/с, радиус ветроколеса 1 м, расстояние от ветроколеса до башни 0,25 м Рис. 1. Зависимость мощности, снимаемой с ветроколеса, от времени при изменении

направления

Альтернативой крыльчатым ветро-установкам с горизонтальной осью вращения являются ветроустановки роторного типа (ротор Савониуса) и ортогональные крыльчатые ветроустановки.

ветра на 30

Ротор Савониуса, отличающийся простотой конструкции и малой стоимостью, имеет существенные недостатки: малый коэффициент использования мощности ветра (не более 0,24), невозможность

стабилизации частоты вращения при изменении скорости ветра. Следует отметить, что использование электромагнитной связи вала генератора и вала ротора Савониуса [4] устраняет последний недостаток и позволяет получать электроэнергию переменного тока частотой 50 Гц в широком диапазоне скоростей ветра.

Ортогональные ветроустановки с крыльчатыми лопастями способны обеспечить стабильные параметры (частота вращения вала, снимаемая мощность и передаваемый момент) при изменении скорости ветра, а при электромагнитном соединении вала генератора и вала ветроустановки обеспечивать работу в практически неограниченном диапазоне скоростей ветра (от скорости трогания до буревой скорости). При этом коэффициент использования мощности ветра достигает 0,4

(для сравнения коэффициент использования мощности ветра современных крыль-чатых ветроустановок с горизонтальной осью вращения равен 0,48).

В таблице 1 приводятся относительные характеристики конкурирующих вет-роустановок, используемых в автономных электростанциях.

Как следует из таблицы 1, наиболее эффективна крыльчатая ортогональная ветроустановка.

Ветроустановки преобразовывают поступательное движение воздушных масс во вращательное движение, приводящее в действие генератор. Учитывая, что большинство потребителей электроэнергии требуют переменного тока, используют следующие альтернативные ветроэлектро-станции (рис. 2, 3).

Таблица 1

Характеристики ветроустановок

Ветроустановка Коэффициент использования мощности ветра Относительная * 2 стоимость , руб./м Стоимость 1 кВт передаваемой ** мощности , руб./кВт

1. Крыльчатая с го- 0,48 4800 30000

ризонтальной осью 2. Крыльчатая 0,40 3200 24000

с вертикальной осью (ортогональная) 3. Ротор Савониуса 0,24 2100 26000

* - на единицу площади, ометаемой ветроколесом; ** - при номинальной рабочей скорости ветра 8 м/с.

Рис. 2. Функциональная схема электростанции непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой:

1 - ветроколесо;

2 - обгонная муфта двухстороннего

действия;

3 - синхронный генератор;

4 - коммутатор;

5 - аккумуляторная батарея;

6 - двигатель постоянного тока

0'

3

-► Нагрузка

Рис. 3. Функциональная схема ветроэлектростанции с буферным аккумулятором:

1 - ветроколесо; 2 - генератор постоянного тока;

3 - аккумуляторная батарея; 4 - инвертор напряжения

4

Преимуществом таких электростанций является то, что и при ветре, и в штилевые периоды электроэнергия вырабатывается синхронным генератором, что гарантирует высокое качество электроэнергии.

В электростанции (рис. 2) генератор получает энергию либо от ветроколеса, либо от двигателя постоянного тока, что обеспечивает высокое качество электроэнергии. В автономной электростанции (рис. 4) частота вращения ротора синхрон-

ного генератора поддерживается постоянной путем включения машины постоянного тока в режим генератора (при скорости ветра больше расчетной) или в двигательный режим (при скорости ветра меньше расчетной). Потребители во всех случаях получают электроэнергию от синхронного генератора, что обеспечивает ее качество. В автономной электростанции (рис. 3) аккумулятор работает в буферном режиме, при котором потребители получают электроэнергию от инвертора напряжения.

1

Рис. 4. Функциональная схема ветроэлектростанции с ортогональной или роторной ветроустановкой:

1 - роторная ветроустановка;

2 - машина постоянного тока;

3 - синхронный генератор;

4 - блок управления;

5 - аккумуляторная батарея

Нагрузка

Для обеспечения бесперебойного электроснабжения емкость аккумуляторных батарей выбирается с учетом продолжительности энергетических (скорость ветра равна и больше расчетной) и аккумуляторных (скорость ветра меньше расчетной) периодов [2].

Рассматриваемые схемы автономных ветроэлектростанций имеют различный КПД, что сказывается на их материалоем-

кости и, в конечном счете, на удельной стоимости. В период достаточного ветра КПД электростанций равны:

■ электростанция непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой ...0,39;

■ электростанция с ортогональной или роторной ветрустановкой ...0,27;

■ электростанция с буферным аккумулятором ...0,20.

Так как автономная ветроэлектро-станция должна обеспечивать электроснабжение и в отсутствие достаточного ветра, то мощность ветроустановки определяется электроэнергией, накапливаемой в аккумуляторах.

В этом случае замыкающий КПД будет равен:

■ электростанция непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой ...0,20;

■ электростанция с ортогональной или роторной ветрустановкой ...0,24;

■ электростанция с буферным аккумулятором ...0,20.

Таким образом, в энергетическом отношении наиболее экономична ветроэлек-тростанция с ортогональной ветроустанов-кой. Ориентировочные стоимости электроэнергии, вырабатываемой автономными ветроэлектростанциями, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Стоимость электроэнергии

Электростанция КПД Стоимость электроэнергии, руб./кВтч

1. Непрерывного действия 0,20 5,0

с крыльчатой ветроустановкой

2. С ортогональной или роторной 0,22 3,0

ветроустановкой 3. С буферным аккумулятором 0,20 4,0

Стоимость электроэнергии суще- ким образом, рассматриваемые автоном-

ствующих автономных солнечных элек- ные солнечные электростанции более эф-

тростанций достигает 7-8 руб./кВт ч. Та- фективны.

Литература

1. Воронин, С.М. Возобновляемые источники энергии и энергосбережение [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Оськин, А.Н. Головко. - Краснодар, КубГАУ, 2006. - 67 с.

2. Воронин, С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии: автореф... д-ра техн. наук [Текст] / С.М. Воронин. - Зерноград: АЧГАА, 2009. - 33 с.

3. Воронин, С.М. Работа ветроустановки при изменении направления ветра [Текст] / С.М. Воронин, Л.В. Бабина. - Альтернативная энергетика и экология.- 2010. - № 1. -С.145-148.

4. Пат. 2313639 Российская Федерация. Ветроэнергетическая установка [Текст] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев. - ФГОУ ВПО АЧГАА. Бюл. № 36. - 4 с.

Сведения об авторах

Воронин Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергетика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 42-4-00.

Бабина Любовь Витальевна - аспирантка кафедры «Энергетика» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 42-4-00.

Information about the authors

Voronin Sergey Mihailovitch - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of energy, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8(86359) 42-4-00.

Babina Lubov Vitalievna - post-graduate student of the department of energy, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 42-4-00.

УДК 574:691:620.97

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ

© 2010 г. В.А. Эвиев, Т.В. Манджиева, Б.В. Очиров, В.С. Манджиев

Рассмотрен вопрос комплексного применения возобновляемых источников энергии в сельскохозяйственном производстве: солнечного коллектора для нагрева воды, ветроагре-гата и солнечных модулей для экологической животноводческой стоянки. Обсуждается возможность использования камышовых строительных панелей для строительства жилых домов.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечные модули, теплотех-ничность, ветроагрегат, солнечный коллектор.

Complex use of the renewable energy sources in the farming industry is considered: solar collector for water heating, wind set and solar modules for ecological stock building. The use of cane building panels for dwelling houses construction is discussed.

Key words: renewable energy sources, solar modules, heat technical skill, wind set, solar collector.

В настоящее время применение экологических строительных материалов, так же как и возобновляемых источников энергии, актуально для сельскохозяйственного производства.

До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась четкая закономерность: развитие получали те направления энергетики, которые обеспечивали достаточно быстрый прямой экономический эффект. При таком подходе возобновляемые источники энергии рассматривались лишь как энергоресурсы будущего. Ситуацию резко изменило осознание человечеством того, что быстрый рост негативных антропогенных воздействий на окружающую среду ведет к существенному ухудшению среды обитания человека.

Основное преимущество возобновляемых источников энергии - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их исполь-

зование не изменяет энергетический баланс планеты.

В связи с тем, что работа солнечных элементов ограничена длительностью дня, а работа ветроагрегата - наличием ветра, наиболее эффективно комплексное использование возобновляемых источников энергии.

Проведенный анализ энергопотребления фермерских хозяйств показывает, что для их электроснабжения достаточно солнечноветровых электростанций единичной мощностью 0,5-5 кВт. При этом месячная выработка составит минимум 200-400 кВтч. Дело в том, что ветроэлектростанции работают на заряд аккумуляторных батарей и в вечернее время, когда энергопотребление максимальное, с аккумуляторов снимается энергия, запасенная в дневное время от ветроустановки и солнечных модулей.