CC BY
21Секция 1. ИННОВАЦИИ И АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИКИ
И ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 621.311.24(571.66)
И.Р. Бобров, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: igor.bobrov.llll@mail.ru
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ОТДАЛЕННЫХ РАЙОНАХ КАМЧАТСКОГО РЕГИОНА
В данной статье автор предлагает использовать энергию ветра для увеличения мощности действующей электростанции в поселке Никольское. Увеличение энергопотребления рыбоперерабатывающих заводов требует замены действующей электростанции или ее модернизации. По мнению авторов, установка ветряных электростанций, работающих совместно с действующими, позволит решить существующую проблему. Для подтверждения своей теории авторы приводят ряд схемных решений возможной модернизации в данном регионе.
Ключевые слова: электростанция, возобновляемые источники электроэнергии, ветрогенераторная установка, генератор.
I.R. Bobrov, A.A. Marchencko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: igor.bobrov.1111@mail.ru
THE POSSIBILITY OF WIND POWER PLANTS USAGE IN REMOTE AREAS OF KAMCHATKA
It is proposed to use wind energy to increase the capacity of existing power plants in the village of Nikolsky. The increase in energy consumption of fish processing plants requires the replacement of the existing power plant or its modernization. Installation of wind power plants, working together with the existing ones, will allow to solve the existing problem. To confirm this theory, a number of circuitries for possible modernization in this region is suggested.
Key words: power plant, renewable energy sources, wind turbine, generator.
Проблема обеспечения электроснабжением отдаленных пунктов является общеизвестным фактом. Недоступность отдельных районов затрудняет передачу электрической энергии по линиям электропередач. Чаще всего для электроснабжения небольших населенных пунктов используются автономные дизельные электростанции. Они имеют массу недостатков, главный из которых - это высокая стоимость электроэнергии. Наиболее острой является проблема электроснабжения в зимнее время года, когда поступление дизельного топлива затруднено. Кроме круглогодичных нужд населенных пунктов в большинстве случаев требуется электроснабжение временных объектов, таких как частные рыбообрабатывающие заводы, рудодобывающие объекты, временные научные базы.
Решением сложившейся проблемы может быть модернизация действующих электростанций путем внедрения ветрогенераторной установки.
Сегодня опыт европейских стран и технический прогресс позволяет говорить о целесообразности применения таких проектов. В сравнении с электростанциями, работающими посредством использования бензинового (бензогенераторы) или дизельного топлива (дизель-генераторы), применение ветряных электростанций в долгосрочной перспективе обойдется намного дешевле, к тому же ветрогенераторы не загрязняют окружающую среду вредными выбросами ввиду их полного отсутствия.
Лидерами по количеству применяемых ветряных электростанций являются Соединенные Штаты Америки и Китай, но и другие страны также понимают, что преимущество ветровых электростанций заключается в возможности получения дешевой энергии. Поэтому наблюдается значительное развитие этой отрасли энергетики.
В последнее десятилетие в России возрос интерес к возобновляемым источникам электрической энергии, примером является использование ветряных электростанций. Ветряные электростанции отличаются автономностью, это позволяет использовать их в удаленных местах. В 80-х гг. такие электростанции имели небольшую мощность и применялись для электроснабжения сельскохозяйственных объектов. Основной проблемой применения высоких мощностей таких установок являлась необходимость аккумулировать электроэнергию постоянного тока и инвертировать ее в момент потребления.
Все ветроэлектростанции работают по одному принципу: преобразуют линейную скорость ветра в угловую скорость вращения оси ветрогенератора. Генератор ветроэлектростанции преобразует вращательное движение в электроэнергию и подает выработанное электричество через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в переменный ток заданной частоты.
Применение ветровой электростанции не только позволит увеличить мощность основной электростанции, но и значительно снизить стоимость электроэнергии. Снижение стоимости напрямую связано с неисчерпаемостью источника электроэнергии и исключением изменения конструкции основной электростанции. Еще одним преимуществом является самосинхронизация подобных систем с сетью основной электростанции, это исключает применение согласующих устройств, таких как синхронизаторы и сглаживающие реакторы.
К основным же недостаткам ветрогенераторов можно отнести повышенный шум, создание помех радиосигналам и нестабильность получаемой энергии ввиду изменения скорости ветра [1]. Однако проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, успешно разрешаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей.
Область применения определяется степенью отдаленности объектов. Ветрогенераторы могут найти применение в небольших населенных пунктах, сельском хозяйстве (это электрификация ферм, количество которых в настоящее время растет), в рыбном хозяйстве, что важно для нашего региона (речные рыбные заводы), в горнодобывающей промышленности - все эти отрасли объединены наличием нуждающихся в электрификации мест для жизни и работы персонала.
С ростом численности населения отдаленных районов растет и энергопотребление. Развитие села Никольское как рыбопромыслового района привело к увеличению числа потребителей. Анализ климатических условий подтвердил возможность применения в таких условиях возобновляемых источников электроэнергии, в данном случае это применение ветровых электростанций.
Никольская метеостанция за 5 лет непрерывных измерений зарегистрировала среднегодовую скорость на уровне 16-18 м от земли, равную 3,15 м/с, а на высоте 33 м за два года наблюдений -3,86 м/с, что позволяет использовать энергию ветра и строить в этом районе ветроэлектростанцию.
На рис. 1 представлена роза ветров района по результатам измерений за 2012 г., рассмотрение которой позволяет сделать следующие выво-
Рис. 1. Роза ветров рассматриваемого района установки ветроэлектростанции
ды: наибольшую продолжительность действия имеют ветра северо-западного направления -270-360° (18,12% времени года) и юго-восточного - 150-210° (13,72% времени года). Наименьшую длительность ветров имеют ветра восточного направления.
Мы предлагаем в качестве дополнительного источника энергии применить ветровую электростанцию. Представленная ниже ветроэлектроустановка разработки конструкторского бюро «Южное» предназначена для эксплуатации в составе ветроэлектростанции или самостоятельно с отдачей электроэнергии в промышленную сеть. Общая конструктивно-компоновочная схема представлена на рис. 2.
Рис. 2. Общая конструктивно-компоновочная схема ветродвигателя
В ней приняты технические решения, типичные для ветроустановок большой мощности (до 5 МВт), а именно:
- трехлопастное ветроколесо с горизонтальной осью вращения и изменяемым углом установки лопастей;
- башня трубчатая секционная конической формы;
- трансмиссия с использованием оперного вала ветроколеса, мультипликатора и соединительных муфт;
- электромеханическая система ориентации ветроколеса на ветер;
- система генерирования на базе асинхронного генератора и некоторые другие.
Номинальная мощность генератора выбирается из условия, чтобы мощности электростанции было достаточно для питания освещения домов на трех улицах и дополнительного грузового крана в порту. С учетом имеющихся нагрузок выбираем 2 генератора серии ВЭС-250. Ветровая электростанция имеет следующие эксплуатационные характеристики:
- номинальное напряжение Цн = 400 В;
- мощность активная Рн = 250 КВт;
- мощность полная QK = 315 КВА;
- ток статора номинальный 1н = 452 А;
- частота вращения ротора пн = 500 об/мин;
- КПД 87%;
- коэффициент мощности cos ф = 0,8;
- номинальный ток возбуждения !в = 140 А;
- номинальное напряжение возбуждения Ц = 53,5 В.
В данном случае рассматривается один из вариантов использования инвертора в системе возбуждения асинхронного генератора. Главным преимуществом такой машины является отсутствие конденсаторов возбуждения, а генератор может быть и автономным, и ведомым сетью, поскольку сеть переменного тока нужной частоты создается инвертором.
На рис. 3 приведена схема асинхронного генератора с инверторным возбуждением. Первоначально напряжение аккумуляторной батареи (АБ) преобразуется инвертором (И) в импульсное
напряжение необходимой частоты, и асинхронный генератор (АГ) возбуждается [2]. Синусоидальная ЭДС подается в нагрузку, а на инвертор подается постоянное напряжение через выпрямительное устройство (ВУ) ветроустанов-ки. Необходимо учитывать, что полупроводниковые устройства искажают форму сигнала, поэтому в цепь нагрузки необходимо включать фильтры.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразными для внедрения являются ветроэлектростанции, работающие раздельно с сетью. В дальнейшем в поселке Никольское планируется увеличение мощности основной электростанции, поэтому для предотвращения изменения конструкции электростанции возможно строительство дополнительных источников электроэнергии. Такие источники могут брать на себя мощность в периоды пиковых нагрузок. Применение ветровой электростанции увеличивает мощность основной электростанции и значительно снижает стоимость электроэнергии. Снижение стоимости электроэнергии обеспечено неисчерпаемостью источника для ее получения и отсутствием необходимости применения согласующих устройств и изменений в конструкции основной электростанции.
Основной проблемой является неспособность ветроэлектростанций генерировать энергию в любой момент времени, это может не совпадать с моментом пиковых нагрузок. Решением может служить установка накопителя электрической энергии. В настоящее время разработаны элементы соответствующей емкости, но для их использования необходима разработка системы автоматического включения, системы инвертирования и синхронизации.
Литература
1. Харитонов В.П. Автономные ветроэнергетические установки. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. -280 с.
2. Фатеев А.Г. Ветродвигатели и ветроустановки - Л.: Энергоиздат, 2001. - 392 с.
