
Какие сложности скрываются в создании аэрономных систем автономного энергоснабжения?
Какие сложности скрываются в создании аэрономных систем автономного энергоснабжения?
Внушительная часть населения России проживает в районах с полярным климатом. Основная особенность этих территорий — длительная зима до 300 дней в году и низкие температуры воздуха до -50 ºС. Здесь наблюдаются сильные ветра практически в любое время года. Для северных районов характерной особенностью является повышенное потребление тепла и электричества объектами жилого и промышленного назначения.
Метеорологические наблюдения свидетельствуют, что в этих местностях сконцентрирован значительный ветроэнергетический потенциал. Однако использована может быть только его незначительная часть. Причинами этого являются невысокая плотность населения, неравномерное распределение промышленных объектов-потребителей электроэнергии по территории, недостаточно развитая инфраструктура, приоритетное применение дизельных электростанций.
Повышение надежности, автономности, экономичности и экологичности энергоснабжения объектов различного назначения и населения в удаленных местностях Севера и Дальнего Востока — одна из приоритетных задач государства в области повышения энергоэффективности. Ни в России, ни в других странах мира до сих пор нет технически обоснованных инноваций для решения проблем автономного энергоснабжения в северных местностях.
В мире отсутствует реальный опыт экономного и безопасного использования автономных источников энергии на базе совмещения ветроэнергетических установок (ВЭУ) и систем сбора и преобразования энергии на пневматическом принципе.
Приоритетная цель современных исследований — разработка эффективных решений энергосбережения на основе полученного мирового и отечественного опыта, а также конструирование опытного образца энергетической установки получения сжатого воздуха с помощью ветроэнергетических установок и пневматического преобразования воздушных масс для создания бестопливной системы получения электричества и тепла.
Для достижения эффективности и достоверности результатов исследования авторы используют только проверенные методики определения климатических характеристик региона и эффективности ветроэнергетических установок. Благодаря этому можно определить оптимальный состав параметров энергокомплекса, позволяющего аккумулировать энергию устройств за счет использования сжатого воздуха в качестве энергоносителя.
Для определения требований к ветроэнергетическим установкам и систем сбора сжатого воздуха изначально разработаны методические основы моделирования временного и пространственного потенциала в суровых условиях Заполярья. В основе разработанных методик лежат физико-статистические методы моделирования на базе сведений о пограничном слое атмосферы и геофизических характеристиках Земли. Эта информация была получена благодаря многолетним спутниковым, метеорологическим, геофизическим испытаниям.
Содержание
Преимущества использования ветроэнергетических установок
Использование энергии ветра для выработки тепла и электроэнергии в северных районах страны имеет ряд положительных моментов. Во-первых, плотность холодного ветра больше, чем теплого. При одинаковой скорости в условиях суровой зимы можно выработать больше энергии. Мощность пропорциональна плотности воздуха. При снижении температуры до -15 ºС выработка энергии увеличивается на 11%. Однако при падении давления до 730 мм выработка может сократиться на 5-6%. Это означает, что при нестабильных климатических условиях получить дополнительную энергию очень сложно.
Во-вторых, в арктических регионах наблюдается повышенное удельное потребление тепла и электроэнергии.
В-третьих, в северных регионах достаточно завышены тарифы на тепло и электроэнергию.
Особенности зимы в Заполярье
В исследовании ветровой режим оценивался с помощью метода теоретического моделирования ВЭП и производительности ветроэнергетических установок по данным измерения ветра и термодинамических параметров на метеорологических станциях России и стран СНГ.
К основным задачам поиска эффективных решений в области энергосбережения в отечественном Заполярье относят:
- изучение климатических факторов, ветроэнергетического потенциала для создания специальных ВЭУ, преобразовывающих сжатый воздух, с целью создания бестопливной системы выработки тепла и электроэнергии;
- усовершенствование ветроэнергетических установок под суровый климат отечественного Заполярья;
- создание инновационных технологий выработки сжатого воздуха и его преобразования для производства электроэнергии и тепла;
- практическое внедрение полученных научно-технических достижений для разработки опытного образца эффективного комплекса мощностью 8-10 кВт;
- техническое и экономическое обоснование вложения средств в инновационные схемы энергоснабжения на основе разработанных принципов на Севере и Дальнем Востоке России с учетом природно-климатических условий в этих местностях;
- расчет емкости рынка сбыта разработанного энергетического комплекса.
Проблемы внедрения ветроэнергетических установок
Развитие ветроэнергетики в северных районах сопряжено с большим количеством трудностей. В первую очередь они связаны с доставкой ветроэнергетических комплексов и установкой их на строительной площадке. На большей территории севера инфраструктура развита слабо: отсутствуют дороги, промышленные объекты и т.д.
При строительстве крупного ветропарка потребуются дополнительные капитальные затраты на возведение инфраструктуры. Если в планах возведение только нескольких небольших установок, то можно ограничиться доставкой ветроэнергетических комплексов воздушным, автомобильным или железнодорожным транспортом.
Суровые климатические условия сокращают сроки строительства до 3 месяцев. Однако на территории Севера благодаря полярным дням работы можно вести круглосуточно. Профилактические работы следует планировать также на лето.
Стандартные требования к ветроэнергетическим установкам сформированы на основе мирового и отечественного опыта. Их достаточно согласовать под конкретную климатическую специфику региона.
Общими требованиями являются: применение хладостойкой стали, синтетической смазки для подшипников, системы обогрева метеорологических датчиков и т.д.
Техническое и экономическое обоснование внедрения ВЭУ
На основе теоретической методологии оценены ветроклиматические условия работы и требования к инновационным установкам на основе энергии ветра, а также определены предельно допустимые объемы системы сбора сжатого воздуха.
Полученные результаты являются основой для высокоточного моделирования элементов ветровых установок в любой координатной точке Заполярья и расчет параметров изменчивости с масштабами от пары минут до нескольких лет. Предельно допустимая погрешность составляет 15-17%. Методики отлажены и испытаны в важных пунктах Севера: Анадыре, Тикси, Певеке и т.д. На рисунке 1 представлены расчетные высотные профили скорости ветра в населенном пункте Тикси.
На этапе определения методики моделирования и разработки на ее основе пространственно-временной структуры потенциала ветра были получены следующие результаты и выводы:
- Ветроэнергетический потенциал практически у всех рассмотренных населенных пунктов Заполярья может быть использован для промышленного использования. Среднегодовые скорости ветра варьируются от 7 до 9 м/с, а удельные мощности ветра вблизи северных портов — до 900 Вт/м2. Среднее число часов функционирования ветроэнергетических установок составляет от 3000 до 3600.
- Чтобы создать источники автономного энергоснабжения необходимо разработать специальные ветроэнергетические установки под северные климатические и геофизические условия.
- Длительность интервалов с нормальной мощностью ветра, периоды слабого ветроэнергетического потенциала или периоды отсутствия ветра можно определить с помощью функции вероятности распределения энергии ветра по скоростям на основе статистического анализа временных рядов многолетних геофизических и метеорологических измерений. На рисунке 2 представлена плотность распределения длительностей штилей вблизи поселка Тикси (вероятностный анализ).
Разработка методологической базы исследования
Для разработки научно-технической методологии, подходящей для источников автономного энергоснабжения, и определения параметров к системам сбора, преобразования и использования энергоносителя были проведены следующие мероприятия и получены конкретные выводы.
- Изучены графики потребления тепла и электричества жилыми и промышленными объектами Заполярья. На основе их анализа были выявлены критерии оценки энергоэффективности и требования к источникам гарантированного энергоснабжения (или их отдельным составляющим).
- Была составлена идеология, разработаны научно-технические принципы и создана схема функционирования источников гарантированного энергоснабжения на базе ветроэнергетических установок, а также усовершенствована методика преобразования ветра для получения тепла и электричества (подробнее в таблице 1).
- Рассчитаны главные физико-технические параметры основных элементов прототипа источников автономного энергоснабжения: потенциальная мощность установок, предельно допустимые объемы системы аккумулирования, технические требования и т.д.
- Произведен поиск аналогов отдельных элементов, входящих в структуру источника гарантированного энергоснабжения, и сравнение их по энергетическим параметрам и оценке допустимых потерь каждого из них или всех в совокупности.
Таблица 1.
Принципиальная схема источника гарантированного энергоснабжения
Элемент энергетического комплекса | Функциональное назначение |
ветроэнергетическая установка | необходима для нормального функционирования компрессорной системы высокой производительности |
компрессорная система высокой производительности | необходима для наполнения большого ресивера сжатым воздухом под давлением до 10 Па |
система пневматического отвода и распределения тепловой энергии | передает тепловую энергию системе обогрева энергетической установки, на турбину, осушитель и непосредственно потребителю энергии |
осушитель воздуха | элемент, необходимый для осушения воздуха |
ресивер | это аккумулятор системы, содержащий воздух под большим и переменным давлением |
дроссельный регулятор | передает воздух на пневмодвигатель с давлением до 1 Па |
пневмодвигатель | необходим для вращения вала электрогенератора с постоянной скоростью и отвода холодных воздушных масс потребителю |
электрический генератор | может работать с постоянными и переменными оборотами. Он гарантирует постоянную выработку электричества потребителю. |
Для разработки источников гарантированного энергоснабжения следует создать отсутствующие в данный момент ветроэнергетические установки с высоким развиваемым моментом и избыточной мощностью. Они должны обладать хорошей технической готовностью, ремонтопригодностью и высокими эксплуатационными характеристиками в условиях Заполярья.
Многочисленные исследования свидетельствуют, что пик активности ветра приходится на зиму — сезон, когда повышается потребность в тепле. Внедрение ветроэнергетических установок позволяет сократить объемы привозного топлива до 50%, что снизит нагрузку на потребителей энергии. Вдобавок для выработки тепла не обязательно использовать электроэнергию высокого качества, что позволит сделать ветроэнергетический комплекс максимально простым и надежным.
Основной недостаток ветровой энергии — нестабильность во времени, может быть преодолен аккумулирующей теплоснабжающей системой за счет ее собственной инерции. Колебания мощности от нескольких минут до пары часов возможно компенсировать с помощью специальных устройств. При отсутствии ветра в течение длительного периода возможно подключение котельной на ограниченном привозном топливе. Часть нагрузки можно покрыть за счет выработки ветроэнергетических установок, а часть — за счет котельной.
При сильных ветрах инновационные комплексы могут полностью удовлетворять потребность в энергии и накапливать ее в запас. Однако в морозные дни нагрузка будет лежать на котельной.
Полученные результаты информационного анализа
В рамках информационного анализа были установлены следующие выводы:
- На практике нет разработанных схем источников гарантированного энергоснабжения. Зато на отечественном рынке представлены аналоги отдельных элементов, которые можно использовать для создания схемы источника. Они выпускаются различных типоразмеров, состава и компоновки, что дает большие возможности для экономической или энергетической оптимизации.
- Ветроэнергетические установки, специализированные под суровые климатические условия Заполярья, должны отличаться высокой ремонтопригодностью и технической готовностью.
- Мощность специальных ветроэнергетических установок и системы аккумулирования и преобразования сжатого воздуха в тепло или электричество должна соответствовать установленному графику нагрузки в течение года и гарантировать выработку энергии в период безветрия или слабого ветра (приблизительно 30-60 дней).
- Термодинамические расчеты показывают, что при сжатии 1 м3 воздуха до давления 100 атм получается около 107 Дж энергии, а при преобразовании его в электроэнергию с КПД 0,7 можно получить до 2кВт*ч электричества.
- Инновационные компрессорные установки высокого давления, наибольший интерес из которых представляют винтовые, наделены КПД порядка 0,7. Отсюда можно рассчитать, что минимальное среднее значение мощности, передаваемое от ветроэнергетической установки на вал двигателя с фиксированной мощностью 100 кВт должно составлять до 220 кВт. С учетом вероятности периодов слабого ветра и повышения энергоэффективности ВЭУ двигатель компрессора должен быть оснащен мощностью примерно 300-350 кВт.
- Мощность ветроэлектрических установок, входящих в источник гарантированного энергоснабжения, и функционирующих в качестве механического привода компрессорных установок для точного покрытия графика нагрузки мощностью 100 кВт должна составлять до 9000 кВт.
При сравнении экономических показателей, полученных по разработанной схеме источников гарантированного энергоснабжения, и альтернативных способов энергоснабжения можно сделать вывод, что капитальные затраты на базе ветроэнергетических установок с механическим приводом и пневматической аккумуляцией могут на 25% быть ниже, чем при использовании ветродизельных установок.
Что касается удельных капитальных затрат, по предложенной схеме они окажутся в 2 раза выше, чем у систем без аккумулирования воздуха. Но при учете топливной составляющей во многих регионах Заполярья себестоимость электроэнергии окажется в 1,5-2 раза ниже, чем у дизельных электростанций. На рисунке 3 представлена оценка капитальных затрат возможных способов энергоснабжения.
Экономия электроэнергии подтверждает перспективность полученных результатов исследования. В силу этого следует продолжить научно-техническую разработку источников гарантированного энергоснабжения и их технико-экономическое обоснование. Для подтверждения возможности реализации проекта на практике необходимо создать экспериментальный образец мощностью до 10 кВт.
Полученные в ходе исследования результаты говорят об экономической и технической обоснованности внедрения ветроэнергетических установок и систем аккумулирования и преобразования сжатого воздуха в районах Заполярья.
Практическая значимость проекта подтверждается следующими возможностями:
- высокой экономией дизельного топлива (порой достигает 100%) и сокращения объемов “северных завозов”;
- снижением тарифов на тепло и электроэнергию в северных широтах страны;
- использованием отечественной производственной и информационной базы для серийного выпуска инновационного энергетического комплекса, ориентированного на арктический климат, и организация новых рабочих мест;
- повышение энергетической безопасности и снижение зависимости от дизельного топлива за счет использования бесплатного возобновляемого ресурса — воздуха;
- решение экологических проблем в районах Крайнего Севера и на Дальнем Востоке.
Экономичность теплоснабжения потребителей с помощью ветроэнергетических установок зависит от режима ветра, цены на привозное топливо и объема капиталовложений. Чем выше цена топлива в северном регионе, тем более оправдано использование инновационных установок. Стоит отметить, что мощность, участвующая в теплоснабжении с помощью ВЭУ, имеет свой оптимум, после которого ее наращивание неэффективно.
Многочисленные испытания показывают целесообразность использования тепловых аккумуляторов. Сбор избытков тепловой энергии в период сильного ветра позволяет поднять долю участия ветроэнергетических установок в графике нагрузок на 10-12% в зимние периоды и на 20-25% летом. В некоторые месяцы вся нагрузка может быть выработана ветроэнергетическими установками, что приведет к значительной экономии в денежном выражении и улучшению жизни населения севера.