CC BY
108
УДК 620.92
А. В. Вазем, магистр, (4872) 35-54-50, eists @гатЬ ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Рассмотрены вопросы работы ветроэнергетических установок, климатические и экономические предпосылки для эффективной работы, показана методика для оценки экономической эффективности использования ветроустановки.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетические установки, методика, схемы, сети.
Общая мощность энергии ветра на Земном шаре оценивается в 2,43*1015 МВт. По оценки организации «Гринпис», человек может получить за счет энергии ветра 530 000 ТВт*ч энергии в год - четверть общей потребности. Использование силы ветра - один из самых древних способов производства энергии.
Преимущества ветроэнергетики несомненны. Ветровая энергия изобильна, чиста, безопасна и надежна в качестве ресурса для производства электроэнергии. Цена производства электричества на ветровых станциях постоянно снижается (в отличие от производства энергии с использованием других энергоносителей). Ветроэнергетика позволяет производить электроэнергию гораздо ближе к потребителю, что снижает ее потери и стоимость строительства линий электропередач. Технология производства ветротурбин экономически эффективна (таблица).
Прогноз установленной мощности альтернативных электростанций в России до 2015 г.
Тип электростанции Вводимая мощность, МВт Годовая экономия топлива, тыс. т у.т.
Геотермальные 60... 125 172.470
Малые ГЭС 100...250 153.415
Солнечные 1.10 1.10
Ветровые 10.100 10.105
Итого 171.525 336. 1000
Во второй половине ХХ века интерес к использованию энергии ветра возрос, хотя ее освоение идет медленно. Причины заключаются в следующем:
-непостоянство ветра требует создания дублирующих электроагре-
185
гатов;
-при скорости ветра менее 4,5 м/с работа ВЭС становится неэффективной по сравнению с дизельными электростанциями;
-невозможность работы большинства ВЭС при скорости ветра более 25 м/с;
-высокая удельная капиталоемкость(1000...2000 $ за один кВт установленной мощности) по сравнению с дизельными установками, где этот показатель ниже в несколько раз.
Еще одним применением ветроустановки (ВЭУ) является преобразование кинетической энергии ветра в механическую для подъема воды в сельских местностях.
Ветроэнергетика, несмотря на ряд негативных моментов развивается во многих странах мира, в том числе и в России (рис. 1). Основное направление использования энергии ветра - производство электроэнергии. Учитывая постоянное снижение себестоимости вырабатываемой энергии, перспективы дальнейшего расширения строительства ветровых электростанций достаточно благоприятны.
Современная ветроэнергетика базируется в основном на применении ветродвигателей двух основных видов:
-горизонтально-осевые пропеллерные ветродвигатели с горизонтальной осью вращения;
- вертикально-осевые ветродвигатели или ортогональные с вертикальной осью вращения.
Основным критерием, помимо экономического, всё таки является технический, то есть при котором возможно нормальное функционирование ВЭУ.
Есть регионы, где средняя за год скорость ветра на высоте 10 м от уровня земли не превышает 10 м/с. Там нельзя рассчитывать на эффективную работу ветроустановок. Однако в стране имеется много мест, где возможность использования энергии ветра не вызывает сомнений. К таким регионам можно отнести Краснодарский край, Калмыкию, степную Сибирь, весь Крайний Север и Дальний Восток. В центре России также имеются перспективные места: в Ленинградской, Рязанской, Ростовской, Волгоградской областях, но конкретный выбор участков для установки ВЭУ требует специального обоснования и проверки.
Энергия ветра, поступающая за год или месяц на единицу поверхности, перпендикулярную направлению ветра, называют потенциалом энергии ветра. Потенциал энергии соответствует использованию идеальной ВЭУ с площадью поверхности, ометаемой ветроколесом, 1 м2 и идеальным коэффициентом преобразования энергии 100 %.
К основным факторам, влияющим на точность оценки энергии ветра, относятся:
-изменение плотности воздуха в зависимости от высоты над уров-
нем моря и температуры;
-соответствие имеющихся данных по ветру ветровым условиям конкретной ВЭУ.
Обозначение Прибрежные тер-зон ритории Открытая местность Закрытая местность
V, м/с Э, Вт/м2 V, м/с Э, Вт/м2 V, м/с Э, Вт/м2
>8,5 >700 >7,5 >500 >60 >250
ММ М I 7...8,5 400...700 6,5... 7,5 300...500 5...6 150...250
Н1НВ116---7 250... 400 5,5... 6,5 200...300 4,5...5 100...150
11111111 5---6 150... 250 4,5...5,5 100...200 3,5...4,5 50...100
<150 <4,5 <100 <3,5 <50
Рис.1. Ветровые ресурсы России на высоте 50 м
Методической основой определения экономической эффективности является сравнение экономических результатов использования ветроуста-новок и базовой техники. При расчетах должна обеспечиваться сопоставимость вариантов по объему и качеству производимой продукции.
Критерием выбора лучшего варианта является годовой экономический эффект, определяемый на годовой объем производства. Годовой экономический эффект представляет собой суммарную экономию, которую получают производитель и потребитель в результате использования ветро-агрегатов и ветроустановок.
В расчетах по определению экономической эффективности ВЭУ применяется нормативный коэффициент экономической эффективности дополнительных капиталовложений. Этим коэффициентом определяется нормативная прибыль в долях от дополнительных капиталовложений за год. Для ветроагрегатов, предназначенных для выработки электроэнергии, нормативный коэффициент эффективности принимается на уровне 0,12, а для ВЭУ используемых для водоподъема, орошения, опреснения и прочих
нужд, - 0,15.
В настоящее время на объектах, не имеющих централизованного энергоснабжения, в том числе в населенных пунктах Крайнего Севера и Дальнего Востока, для электроснабжения применяются в основном дизельные электростанции мощностью от 8 до 200 кВт в одном агрегате. Для кратковременных работ в сельском хозяйстве и строительстве используются портативные бензиновые электростанции малой мощности от 0,5 до 5 кВт.
С учетом существующего положения вопрос о базе сравнения для ВЭС в районах, не имеющих централизованного электроснабжения, решается однозначно. Эффективность использования следует определять в сравнении с дизельными электростанциями, имеющими преобладающее распространение.
Для обеспечения потребителей электроэнергией оптимальной будет схема электроснабжения, представленная на рис. 2.
Рис.2. Схема гибридного энергоснабжения с использованием ВЭУ
В данной схеме генерация электроэнергии происходит ВЭУ 2 и дизельными генераторами 5, в период затишья или нехватки мощности. При работе ВЭУ происходит питание потребителей 6, а при низкой нагрузке энергия сохраняется в аккумуляторах З.Управление процессами генерации производится через систему контроля 1. Питание аккумуляторной батареи
происходит через преобразователь переменного тока в постоянный.
Капитальные вложения, связанные с приобретением и монтажом новой техники, являются затратами потребителя. Они состоят из стоимости приобретения оборудования по оптовым ценам и стоимости расходов на его доставку и монтаж. Сумма перечисленных расходов составляет балансовую мощность капиталовложений. Средний коэффициент перевода оптовой цены в балансовую стоимость колеблется в пределах 1,1 - 1,2.
В данной работе будут рассмотрены возможные варианты решения электроснабжения отдаленных потребителей электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок, работающих совместно с дизельными генераторами, в тех районах, где подключение к крупной питающей энергосистеме или невозможно, или стоимость подключения и электроэнергии крайне высоки. Оцениваются экономическая выгода от использования, экологическая сторона вопроса, произведен анализ выбора ВЭУ, выбор типа генератора, выбор типа аккумулирующих батарей и схемы управления генерирования электроэнергии гибридной системой.
Применение ВЭУ в России экономически оправдано на территориях со среднегодовыми скоростями ветра более 6 м/с. Северные районы страны богаты воздушными ресурсами, а их удаленность от основных энергетических магистралей создает дополнительные сложности для обеспечения электроэнергией потребителя. В расчет берется электроснабжение поселка с суммарной мощностью установки в 500 кВт. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией порядка 40 частных домов. При среднегодовой скорости ветра 7 м/с удастся существенно снизить затраты на ГСМ для дизельных электрогенераторов, увеличить срок службы ДЭС, существенно облегчается эксплуатация за счет автоматического контроля над работой ВЭУ.
Исходя из полученных данных снижения выработки электроэнергии применение АВЭУ-250 при скорости 6 м/с экономически оправдано только тогда, когда доставка топлива на объекты нерегулярна и обходиться дорого.
До настоящего времени в России эффективность новой техники оценивается по величине приведенных затрат. Эта методика соответствует плановому управлению научно-техническим прогрессом. Однако до сих пор единственного мнения о необходимости разработки новой методики нет.
По вопросу целесообразности использования ВЭУ в качестве источника электроснабжений разногласий нет. Несмотря на высокую первоначальную стоимость оборудования и его монтажа, применение ВЭУ представляется привлекательной перспективой. Приведенные расчеты показали, что использование ВЭУ выгодно даже в тех случаях, когда ДЭС работает круглосуточно, но обслуживается не более 5 часов в сутки (1875 ч/год. Именно такое условие используется в существующих методиках оп-
ределения эффективности применения ВЭУ вместо ДЭС.
Однако возможность непрерывной работы одной ДЭС можно оспаривать, так как заводы-изготовители устанавливают предел непрерывной работы ДЭС на уровне 4.5 часов. Лишь АСДА-200, используемые в приведенном расчете, допускает непрерывную работу в течение 240 часов.
Таким образом, предположение о непрерывном режиме работы в расчетах можно оспаривать. В практике использования зарубежных ДЭС всегда в комплект оборудования вводят не мене двух ДЭС, а чаще - 3 - 5 различной мощности, что позволяет обеспечить непрерывность функционирования ДЭС даже при самых жестких ограничениях, устанавливаемых заводом-изготовителем.
Как следует из примеров расчета и анализа методов определения технико-экономических показателей ВЭУ, принимаемые допущения являются недостаточно корректными. Именно поэтому целесообразно обновление существующих методик с устранением ошибочных подходов в отношении режимов работы и обслуживания оборудования ВЭУ и ДЭС.
Полученные данные показывают, что за свой срок службы (30 лет) АВЭ-250 может за счет экономии ГСМ окупить свою стоимость многократно.
Практическое значение полученных результатов состоит в реализации методики экономически эффективного использования ветроэнергетических установок для генерирования электроэнергии.
Значимость полученных результатов состоит в развитии теории и совершенствовании методов оценки работы ветроэнергетических установок, в результате чего:
1) приведены климатические и экономические предпосылки для использования ветроэнергетических установок;
2) приведены примеры эффективной работы схем генерирования электроэнергии на основе гибридной работы ветроустановки и дизельной электростанции;
3) обосновано использование ВЭУ с помощью методики оценки эффективности.
Список литературы
1. Ветроэлектрические станции/ Андрианов В.Н. [и др.]. - М.: Гос-энергоиздат, 1960. 320 с.
2. Каргиев В.М. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. М.: Интерсоларцентр, 2001. 62 с.
3. Харитонов В.П. Автономные ветроэнергетические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. 280 с.
4. Янсон Р.А. Ветроустановки: учеб. пособие под ред. М.И. Осипо-ва. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 36 с.
5. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ГИСЛ, 1968.
544 с.
6. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 200 с.
7. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера: Состояние, условия эффективности, перспективы. Л.: Наука, 1989. 208 с.
8. Тупикин С.Н., Орлова Н.С. Ветроэнергетические ресурсы Калининградской области: учеб. пособие. М.; Калининград, 1997. 40 с.
9. Ветроэнергетика / под ред. Д. де Рензо; пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1982. 272 с.
A. V. Vazem
SUBSTANTIATION SCHEMES OF WIND POWER FACILITIES FOR THEIR USE IN ELECTRIC NETWORKS
Work questions wind power installations, climatic and economic preconditions for effective work are considered, the technique for a mark of economic efficiency of use wind power is developed.
Key words: wind power, wind power installations, a technique, schemes, networks.
Получено 24.12.11
УДК 519.6
О.А. Кузнецова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Рассмотрены основные положения многокритериальной концепции энергоэффективных режимов работы электрического привода.
Ключевые слова: оптимальное управление, электрический привод, критерии оценки эффективности.
Оценку эффективности работы электрического привода целесообразно определять совокупностью критериев, отражающих как статические, так и динамические режимы работы и имеющих противоречивый характер. На основании анализа многочисленных работ по оптимизации электропривода с одним или несколькими критериями можно сформулировать сле-
