«Б.В. ЛУКУТИН ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Учебное пособие Издательство Томского политехнического университета 2008 ББК 31.25973 УДК 620.92(075.8) Л843 Лукутин Б.В. Л843 Возобновляемые источники ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

_

Б.В. ЛУКУТИН

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Учебное пособие Издательство Томского политехнического университета 2008 ББК 31.25973 УДК 620.92(075.8) Л843 Лукутин Б.В.

Л843 Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие / Б.В. Лукутин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 187 с.

Возобновляемая энергетика сегодня является наиболее динамично развивающимся направлением электро- и теплоэнергетики. Особое значение возобновляемые ресурсы имеют в децентрализованных системах электроснабжения, характерных для значительных территорий России и других стран.

В учебном пособии рассмотрены энергетические характеристики основных видов природных возобновляемых источников энергии (ВИЭ): ветра, потоков воды, солнечного излучения, геотермальных вод, биомассы и способы их преобразования в электроэнергию. Значительное внимание уделено вопросам повышения энергоэффективности преобразования первичного энергоресурса и рациональному построению автономных систем электроснабжения с использованием электростанций, использующих различные виды ВИЭ.

Рассмотрены экономические аспекты использования возобновляемой энергетики в автономном электроснабжении. На примере некоторых регионов Сибири показаны возможности практического использования подобных систем энергообеспечения.

Пособие предназначено для студентов электроэнергетических и электротехнических специальностей.

ББК 31. УДК 620.9(075.8) Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Теоретических основ электротехники ТУСУР, г. Томск В.М. Дмитриев Доктор технических наук, профессор, ведущий специалист РЦР, г. Томск В.В. Литвак © Томский политехнический университет, © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, © Б.В. Лукутин, Введение Современное развитие энергетики в России характеризуется ростом стоимости производства энергии. Наибольшее увеличение стоимости энергии наблюдается в удаленных районах Сибири и Дальнего Востока России, Камчатки, Курильских островов, где в основном используются децентрализованные системы электроснабжения на базе дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах часто превышает мировой уровень цен и достигает 0,25 и более долларов США за 1 кВт·час.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития возобновляемой энергетики. Для интенсификации практического использования возобновляемых энергоресурсов в этих странах законодательно устанавливаются различные льготы для производителей «зеленой»

энергии. Однако решающий успех возобновляемой энергетики определяется в конечном счете ее эффективностью в сравнении с другими более традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергетики. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливноэнергетических ресурсов уже сегодня определяют техникоэкономические преимущества электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс.

В учебном пособии излагаются научно-технические основы использования возобновляемых источников энергии и рассматриваются технологии их использования для производства электроэнергии в локальных системах электроснабжения.

Пособие включает пять разделов: 1) возобновляемые энергоресурсы территории и условия их использования для генерирования электроэнергии; 2) электростанции, использующие энергию ветра; 3) малая гидроэнергетика в децентрализованном электроснабжении; 4) геотермальные и солнечные электростанции; 5) электростанции, использующие химическую энергию биомассы.

В первой главе приведена классификация возобновляемых источников энергии и определены их энергетические характеристики для производства электрической энергии. Анализ энергетических характеристик произведен с использованием фактических данных территории Томской области.

Во второй главе рассмотрены ветроэлектростанции и их энергетические характеристики. Показаны способы повышения энергоэффективности рабочих режимов и дана методика оценки техникоэкономических характеристик автономных ветроэлектростанций. Даны рекомендации по созданию локальных систем электроснабжения с участием ветроэлектростанций.

В третьей главе описаны наиболее распространенные типы микрогидроэлектростанций автобалластного типа, дан анализ их режимов работы, рекомендации по разработке машинно-вентильных источников электроэнергии для таких станций и приведена методика техникоэкономического анализа их характеристик.

В четвертой главе дано описание принципов построения и конструктивных особенностей геотермальных и солнечных электростанций.

Показаны особенности их применения для децентрализованного электроснабжения. Приведены технико-экономические характеристики этих энергоустановок.

Пятая глава посвящена возможностям преобразования химической энергии биомассы в электроэнергию. Приведены техникоэкономические характеристики автономных электростанций, использующих биотопливо.

Глава 1. Возобновляемые энергоресурсы территории и условия их использования для генерирования электроэнергии 1.1. Классификация возобновляемых источников энергии (ВИЭ) Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ является их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время – в пределах срока жизни одного поколения людей.

Почти 30 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии с резолюцией 33/148 (1978 г.) введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1].

Чаще всего к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

• механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

• тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

• химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Если использовать понятие качества энергии – коэффициент полезного действия, определяющий долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно классифицировать следующим образом: возобновляемые источники механической энергии характеризуются высоким качеством и используются в основном для производства электроэнергии. Так, качество гидроэнергии характеризуется значением 0,6…0,7; ветровой – 0,3…0,4. Качество тепловых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3…0,35. Еще ниже показатель качества солнечного излучения, используемого для фотоэлектрического преобразования, – 0,15…0,3. Качество энергии биотоплива также относительно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Энергетический потенциал ВИЭ может оцениваться различными значениями в зависимости от степени учета технико-экономических аспектов применения возобновляемой энергетики. С этих позиций принято выделять валовый потенциал ВИЭ, технический потенциал ВИЭ и экономический.

Валовый потенциал – это количество энергии, заключенное в данном виде энергоресурса, при условии ее полного полезного использования. Технический потенциал – это часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию целесообразно при соответствующем уровне развития технических средств. Экономический потенциал ВИЭ – часть технического потенциала, который экономически целесообразно преобразовывать в полезную энергию при конкретных экономических условиях.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Основными преимуществами ВИЭ по сравнению с энергоисточниками на органическом топливе являются практическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных веществ в окружающую среду. Однако они, как правило, более капиталоемки, и их доля в общем энергопроизводстве пока невелика (за исключением гидроэлектростанций). Согласно большинству прогнозов, эта доля останется умеренной и в ближайшие годы. Вместе с тем во многих странах мира возрастает интерес к разработке и внедрению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, ВИЭ, уступая традиционным энергоисточникам при крупномасштабном производстве энергии, уже в настоящее время при определенных условиях эффективны в малых автономных энергосистемах, являясь более экономичными (по сравнению с энергоисточниками, использующими дорогое привозное органическое топливо) и экологически чистыми.

Во-вторых, применение даже более дорогих, по сравнению с традиционными энергоисточниками, ВИЭ может оказаться целесообразным по другим, неэкономическим (экологическим или социальным) критериям. В частности, применение ВИЭ в малых автономных энергосистемах или у отдельных потребителей может существенно повысить качество жизни населения.

В-третьих, в более отдаленной перспективе роль ВИЭ может существенно возрасти и в глобальном масштабе. В ряде стран и международных организаций проводятся исследования долгосрочных перспектив развития энергетики мира и его регионов. Интерес к этой проблеме обусловлен определяющей ролью энергетики в обеспечении экономического роста, ее существенным и все возрастающим негативным воздействием на окружающую среду, а также ограниченностью запасов топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим, в будущем неизбежна кардинальная перестройка структуры энергетики с переходом к использованию экологически чистых и возобновляемых источников энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода к устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечивающей, с одной стороны – экономический рост и повышение уровня жизни людей, особенно в развивающихся странах, с другой – снижение негативного влияния деятельности человека на окружающую среду до безопасного предела, позволяющего избежать в долгосрочной перспективе катастрофических последствий. В переходе к устойчивому развитию важная роль будет принадлежать новым энергетическим технологиям и источникам энергии, в том числе ВИЭ.

Оценим грубо потенциальные возможности источников возобновляемой энергии, предполагая, что при рациональном её использовании для создания комфортных условий жизни требуется в среднем 2 кВт на человека. С каждого квадратного метра земной поверхности можно получать, используя различные ВИЭ, в среднем 500 Вт мощности. Если считать, что эффективность преобразования этой энергии в удобную для потребления форму всего 4 %, то для мощности 2 кВт требуется площадь 100 м2. Средняя плотность населения в городах с учетом пригородной зоны примерно 500 человек на 1 км2. Для обеспечения их энергией из расчета 2 кВт на человека необходимо с 1 км2 снимать 1000 кВт, т. е. достаточно занять всего 5 % площади. Таким образом, ВИЭ могут вполне обеспечить удовлетворительный уровень жизни, если будут найдены приемлемые по стоимости методы её преобразования, с учетом ресурсного потенциала. Общие ресурсы ВИЭ в мире и России приведены в таблице 1 [2,4]. Однако, вклад этих источников в мировой энергетический баланс в настоящее время достаточно скромен.

К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.

Энергия солнца Энергия ветра Геотермальная энергия Гидроэнергия Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение техникоэкономических характеристик собственно энергетического оборудования, так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с учетом изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника. С точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносителя в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической системой относительно большой мощности. В первом случае энергобаланс децентрализованной системы электроснабжения определяется соотношением графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем. В процессе согласования должны решаться следующие задачи.

1. Обеспечение максимально эффективного использования возобновляемого энергоресурса.

2. Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что, в большинстве случаев, требует включения в энергосистему накопителей энергии.

3. Управление режимами работы преобразователей энергии, регулирование параметров генерируемой электроэнергии.

Для решения указанных задач используются различные схемные решения энергоустановок.

1. Система со сбросом излишков энергии (рис. 1). Данный способ согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потребителей отличается максимальной простотой и заключается в использовании части потенциала первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения текущего значения нагрузки потребителя. Оставшаяся энергия возобновляемого источника не используется. Системы энергообеспечения такого типа широко применяются в конструкциях гидроэлектростанций, ветроэлектростанций с изменяемым шагом ветротурбин, в системах солнечного обогрева с управляемыми заслонками и др.

Рис. 1. Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями: а) система со сбросом энергии; б) система с накопителем энергии; в) система с регулируемой нагрузкой. 1 – ВИЭ; 2 – преобразователь энергии; 3 - потребитель; 4 – сброс в окружающую среду;

2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первичного энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной нагрузки, могут аккумулироваться и, в свою очередь, питать нагрузку в периоды недостатка потенциала возобновляемого энергоресурса. В качестве накопителей энергии могут использоваться различные устройства: гидроаккумулирующие системы, маховики, аккумуляторные батареи и др. Данные системы более эффективно используют первичный энергоресурс и широко применяются практически во всех типах энергоустановок возобновляемой энергетики.

3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы обеспечивают полное использование первичного энергоресурса за счет управления текущей мощностью нагрузки. Регулирование нагрузок обычно осуществляется автоматически с помощью полупроводниковых автобалластных систем. В качестве балластных нагрузок низкого приоритета применяются нагревательные устройства.

Следует отметить, что кроме максимального использования первичного энергоресурса подобные системы позволяют эффективно управлять режимом первичного преобразователя энергии и, в ряде случаев, параметрами выходного напряжения.

Сетевые электростанции, использующие возобновленные энергоресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того, энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, работающей синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упрощают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой энергетики по сравнению с автономными электростанциями. Увеличение суммарной мощности установок возобновляемой энергетики по отношению к мощности энергосистемы приводит к необходимости решения некоторых проблем, характерных для энергобалансов автономных систем. В частности, приходится решать проблему перераспределения мощностей между топливными электростанциями и электростанциями на ВИЭ с целью энергообеспечения потребителей при минимальном расходе топлива. Такие проблемы успешно решаются в некоторых странах – лидерах в практическом использовании возобновляемой энергетики, например в Германии.

Интенсивные работы по совершенствованию техникоэкономических характеристик энергоустановок и комплексов на основе возобновляемых источников энергии, проводимые во многих странах, определили впечатляющую динамику снижения затрат на производство «зеленой» электроэнергии.

Динамика стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных и возобновляемых энергоресурсов, а также удельные капиталовложения в традиционные и нетрадиционные электростанции (1980/2000 гг.) показаны в таблице 2 [13].

В частности: с 1980 по 1990 гг. удельные стоимости за 1 кВт установленной мощности и 1 кВт·ч вырабатываемой энергии снизились с 50000$ до 20000$ и с 1,5$ до 0,35$ на солнечных электростанциях и с 3000$ до 1750$ и с 0,25$ до 0,07$ на ветровых электростанциях [5-8], что определило их конкурентоспособность с традиционной энергетикой. Основные причины выявленной тенденции многочисленны. Среди них, в первую очередь, следует отметить: непрерывный рост стоимости ископаемого топлива, при реальных ощутимых объемах его исчерпания, и стремительный рост значимости социально-экологических факторов на Земле. Другой весомой причиной является снижение стоимости оборудования ВИЭ с развитием научно-технического прогресса.

Цена электроэнергии, долл. США/кВт·ч (а) и удельные капитальные вложения (б), долл. США/кВт, традиционных и нетрадиционных электростанций за рубежом Ветроэлектростанции Тепловые электростанции В том числе на мазуте Атомные электростанции Экологически чистые возобновляемые источники энергии и установки на их основе могут сократить объемы вредных выбросов в атмосферу. В качестве примера в таблице 3 приведены статистические данные, показывающие, насколько могут уменьшаться вредные выбросы в атмосферу при уменьшении выработки энергии на традиционных видах электростанций на 1 кВт·ч и на 106 кВт·ч [12].

Перевод энергетики на широкое использование атомной энергии позволяет решить проблемы выбросов твердых веществ и углекислого газа, однако массовое строительство АЭС поставило не решенную пока проблему использования или захоронения радиоактивных отходов.

Кроме того, остается проблема теплового загрязнения, поскольку ядерное топливо в естественном состоянии практически не влияет на тепловой баланс планеты.

Таким образом, ясна необходимость перехода от ископаемых, невозобновляемых источников энергии – нефти, газа, угля и в определенной степени радиоактивного топлива, к источникам более высокого экологического качества. Такими являются возобновляемые источники энергии. Как отмечалось ранее, их важнейшей особенностью является то, что они в своем естественном состоянии в полной мере принимают участие в энергетическом (тепловом) балансе планеты, и поэтому их использование человеком не приведет к изменению этого баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любого разумного, требуемого соответствующим этапом развития индустриального общества, значения.

Сокращение вредных выбросов в атмосферу при уменьшении выработки энергии на традиционных видах электростанций [10,11] Сокращение выработки 106 кВт·ч Действующая энергетическая политика представляет собой безжалостную, недальновидную эксплуатацию природы и ископаемых ресурсов, что может привести к глобальным изменениям на нашей планете с последствиями, которые даже трудно представить.

Выработка электроэнергии за счет возобновляемых источников, конечно, не представляет собой абсолютно экологически «чистый» вариант. Эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду [9, 12], но не имеющим глобального характера по сравнению с традиционными энергоустановками на органическом и минеральном топливе.

Расчеты экологического ущерба от электростанций, использующих возобновляемые источники энергии [1], показывают, что заметное воздействие на окружающую среду могут оказывать объекты большой мощности. Однако, установки средней и малой мощности можно считать практически безвредными в отношении окружающей среды, экологический эффект от их эксплуатации будет неизмеримо выше их возможного экологического ущерба [13…16].

Вклад нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс в перспективе оценивается от 1…2 % до 10 %, хотя уже сегодня есть страны, где доля этих источников превышает половину национального энергетического баланса. Доля возобновляемых источников энергии в топливо-энергетическом комплексе разных стран мира постоянно возрастает. Это касается как развитых стран (США, Германия, Япония, Франция, Италия и др.), так и, особенно, развивающихся. Например, в 2000 г. доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии составила: Норвегия – 99,7 %, Исландия – 99,9 %, Новая Зеландия – 72 %, Австрия – 72,3 %, Канада – 60,5 %, Швеция – 57,1 %, Швейцария – 57,2 %, Финляндия – 33,3 %, Португалия – 30,3 %. Последнее десятилетие прошлого века для мира в целом характеризовалось неуклонным ростом доли возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе большинства стран мира. Например, Великобритания – с 2,1 % до 2,7 %; Германия – с 3,7 % до 6,3 %; Франция – с 13,3 % до 14,6 %; Италия – с 16,4 % до 18,9 % и т. д. [8].

По различным экспертным оценкам общая установленная мощность в мире энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии, составлявшая на конец 2000 г. около 123 ГВт по электроэнергии и 230 ГВт по тепловой энергии, должна увеличиться к 2010 г. примерно в три раза по электрической (380…390 ГВт) и в два раза (400…420 ГВт) по тепловой мощности. Наибольшими темпами в последние годы развивается мировая ветровая и солнечная энергетика (до 30% прироста мощности ежегодно) [7, 17].

Экономический потенциал ВИЭ России и его распределение по регионам представлены в таблице 4.

По другим оценкам, экономический потенциал ВИЭ на территории России составляет 270 млн. т.у.т., в том числе по видам энергоисточников: солнечная энергия – 12,5, ветровая – 10, геотермальная – 115, энергия биомассы – 35, энергия малых рек – 65, энергия низкопотенциальных источников тепла – 31,5 млн. т.у.т. [13,18].

Однако, технический прогресс в создании энергоэффективных электростанций, использующих ВИЭ, не достаточен для их широкого использования. Другим важным условием является государственная поддержка возобновляемой энергетики.

Распределение ресурсов (экономический потенциал) для регионов России, млн. т.у.т./год [3] В предвидении серьезных экологических последствий во многих развитых странах разработана экономическая стратегия, распространяющаяся не только на энергетику, но и на другие отрасли производства и потребления ресурсов, которые могут нанести ущерб окружающей среде. Эта стратегия предусматривает ведущую роль государства в решении экологических проблем. Примером стимулирования развития энергетики на возобновляемых источниках является германский «Закон о приоритетности использования возобновляемых источников энергии».

Резкое увеличение масштабов освоения ресурсов возобновляемых источников энергии в конце 20-го века было обеспечено в разных странах мира, особенно на начальных этапах их освоения, с помощью Государственных программ поддержки этой отрасли энергетики (Германия, Япония, США, Индия и т. д.) [10].

Строго говоря, все виды возобновляемых энергоресурсов Земли взаимосвязаны и имеют общее происхождение от солнечной энергии.

Общей теории современных возобновляемых энергоресурсов планеты пока не создано. Подход к независимой оценке потенциала конкретного энергоресурса имеет условный детерминированный характер, позволяющий определить масштабы и условия его практического использования.

Ветер характеризуется скоростью, являющейся случайной переменной в пространстве и времени. Поэтому, на современном уровне исследований, энергетические характеристики ветра представляются вероятностным описанием случайного процесса изменения ветроэнергетического потенциала. Основой вероятностного подхода является дискретизация временного процесса, позволяющая считать независимыми и постоянными все определяемые параметры на интервале дискретизации. В качестве временных интервалов стационарности обычно используется час, сутки, сезон, год.

Совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра объединяется в ветроэнергетический кадастр региона. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

• среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

• повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей ветра;

• вертикальный профиль средней скорости ветра;

• удельная мощность и удельная энергия ветра;

• ветроэнергетические ресурсы региона.

Для получения достоверных данных о средних скоростях ветра территории необходимо использовать значительные объемы измерений в течение достаточно длительного времени. В литературе [18] приводятся рекомендации о целесообразности 10-летних объемов выборки наблюдений.

Среднегодовая скорость ветра определяется как среднеарифметическое значение, полученное в результате измерений скорости через равные промежутки времени в течение заданного периода: сутки, месяц, год, несколько лет:

где V i – скорость ветра в интервале измерения i; n – количество интервалов измерений.

Для численной оценки разброса скоростей ветра от среднего значения используется коэффициент вариации средних скоростей, который определяется выражением [18]:

где S v – среднеквадратичное отклонение текущей скорости ветра от среднего значения; V ср – средняя скорость ветра за исследуемый период времени.

Известно, что скорость ветра по мере удаления от подстилающей поверхности возрастает и воздушный поток становится более устойчивым. Приближенно скорость ветра на высоте h может быть оценена по формуле где Vh – скорость ветра на высоте h; Vф – скорость ветра на высоте флюгера; hф – высота флюгера; – коэффициент, зависящий от средней скорости ветра на высоте флюгера.

Для открытой местности и небольшой шероховатости подстилающей поверхности принимается = 1/7. Зависимость значений от скорости ветра иллюстрируется данными таблицы 5 [6].

Важный энергетический показатель «Повторяемость различных градаций скорости ветра» можно рассматривать как процент времени, в течение которого наблюдалась та или иная градация скорости ветра. Эта характеристика важна для расчета энергетических и других параметров, необходимых для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра. В качестве примера распределения ветрового потенциала в течение года по градациям в таблице 6 приведены данные метеостанции Александровское Томской области.

Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Кроме эмпирических зависимостей типа данных табл. 6, для описания характеристик скоростей ветра используются некоторые модельные функции, описывающие распределение случайных значений скоростей ветра V в соответствии с выражением F(V) – интегральная функция распределения, равная вероятности того, что скорость ветра больше значения V; f(V) = - dF(V)/dV – дифференциальная функция распределения, равная плотности вероятности.

Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра Скорость Среднее значение или математическое ожидание скорости ветра М(V) определяется по выражению Известны различные типы функций распределения скоростей ветра – Вейбулла, Рэлея, Грищевича и др. [23]. Одной из наиболее распространенных на практике функций, дающей наиболее точные результаты в диапазоне скоростей ветра 4…20 м/с, является распределение Вейбулла, описываемое выражениями:

где коэффициент с, имеющий размерность скорости, характеризует масштаб изменения функции распределения по оси скоростей, а коэффициент k характеризует крутизну распределения. Графически функции распределения вероятностей имеют вид, показанный на рис. 2 [23 ].

Функция распределения Вейбулла при k = 1 соответствует экспоненциальному распределению и применяется в основном в теории надежности. При k = 3 распределение Вейбулла приближается к нормальному закону, который часто называется параболическим законом распределения Гаусса.

Рис. 2. Функция распределения вероятностей Вейбулла при значении масштабного коэффициента с = 10 и параметров распределения k = 1, В качестве интегральной энергетической характеристики ветра широко используется удельная мощность ветрового потока, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока. Теоретический ветроэнергетический потенциал оценивается с помощью формулы:

где Р – удельная мощность [Вт/м2]; ср – средняя плотность воздуха [кГ/м3]; (V3)ср – средний куб скорости.

Средний куб скорости ветра может быть выражен через среднюю скорость как:

а ветроэнергетический потенциал равен В качестве примера энергетических характеристик ветра на территории Томской области по сезонам года можно привести данные метеостанций, представленные в таблице 7.

Средняя скорость ветра (м/с) и удельная мощность (Вт/м2) Примечание: Vф – средняя скорость ветра на высоте флюгера.

Сезоны, указанные в таблице, не совпадают с календарными, но являются однородными по ветровому режиму [19]: зима (декабрь, январь, февраль), весна (март, апрель, май июнь), лето (июль, август, сентябрь), осень (октябрь, ноябрь).

Максимумы удельной мощности соответствуют переходным сезонам. Основной минимум относится к летнему периоду, а вторичный – к зимнему.

Территориально распределение удельной мощности может характеризоваться двумя зонами: южная часть и пойма реки Оби – здесь Р изменяется в среднем за год в пределах 150…200 Вт/м2, а на остальной территории области удельные мощностные показатели не превышают 100 Вт/м2.

Карта–схема распределения среднегодовой удельной мощности ветра на территории Томской области приведена на рис. 3 [19]. Приведенные характеристики ветроэнергетического потенциала соответствуют высоте флюгера, равной 10 м.

Рис. 3. Среднегодовая удельная мощность ветра (Вт/м2) Для оценки ветрового потенциала территории, в частности валового, может быть использована следующая методика [18]. Валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия системы ветроустановок высотой h, распределенных равномерно по территории на расстояниях, исключающих взаимное влияние энергоустановок. Обычно считается, что возмущенный ветровой поток полностью восстанавливается на расстоянии, равном 20h от ветроэлектростанции. Это условие определяет порядок размещения ветроустановок по территории. Тогда, на территории площадью S (м2) в течение времени Т (обычно год), полная ветровая энергия всех установок определится как или где Vi, ti – градации скорости ветра и их относительная продолжительность.

Технический ветровой потенциал территории может быть определен с учетом двух обстоятельств.

Первое – площадь территории, пригодной по хозяйственным и экологическим условиям для размещения ветроэлектростанций. Тогда площадь территории Sт, пригодной для использования ветровой энергии, равна Sт = qS, где q – коэффициент, зависящий от конкретного региона.

Фактически Sт – это часть территории S, остающаяся после вычитания площадей сельхозугодий, промышленных и водохозяйственных территорий, различных строений и пр.

При определении технического потенциала территории в настоящее время рекомендуется придерживаться некоторых правил [19]:

1. Для ветроэлектростанций большой мощности (более 100 кВт) коэффициент использования установленной мощности должен быть не ниже 20 %.

2. Эффективность использования ветровой энергии увеличивается с ростом мощности ветроэнергетических установок (в настоящее время их мощность доходит до 4…6 МВт).

3. Обычно для размещения ветроэлектростанций может использоваться не более 30 % территории.

Второе – технический уровень современных ветроэнергетических установок, характеризуемый генерируемой мощностью в зависимости от скорости ветра. Для сетевых ветроэлектростанций обычно используются ветротурбины с горизонтальной осью вращения на высоте башни 50 м. Кроме технических характеристик собственно ветроэлектростанций, необходимо учитывать порядок их размещения по условию максимального использования энергии ветра.

Мощность ветроэлектростанции P(V) с диаметром ветротурбины D определяется выражением P(V ) = где (V ) – КПД установки для скорости ветра V.

Среднестатистическое значение мощности определяется как или в интегральной форме Для максимального использования ветрового потока рекомендуется размещать ветроэлектростанции рядами перпендикулярными преимущественному направлению ветра на расстоянии 20D друг от друга.

Если направление ветра может равновероятно меняться, то ВЭС целесообразно размещать в шахматном порядке между соседними станциями с расстояниями 20D.

Тогда, в первом случае на площади Sт можно разместить Sт/(20D) установок, позволяющих получить за год (Т = 8760 ч/год) энергию, равную или Во втором случае можно разместить Sт/(100D2) установок, обеспечивающих технический потенциал энергии ветра территории или, с учетом градаций ветра Vi, Как следует из приведенных выражений, технический потенциал ветровой энергии не зависит от диаметра и, следовательно, единичной мощности ветроустановок.

Гидроэнергетические ресурсы – это часть водных ресурсов территории, которая может быть использована для производства энергии.

Гидравлическая энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на направление движения потока воды, которая определяется разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка реки. При разности уровней Н [м] на длине участка l [м] и среднем расходе воды Q [м3/с], мощность водотока Р [Вт] составит:

где – плотность воды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Следовательно, гидроэнергетические установки осуществляют энергетическое преобразование либо напора воды, либо водности при некоторой минимальной скорости течения.

Для определения полезной мощности, производимой гидростанцией, учитывают результирующий коэффициент полезного действия установки, состоящей из гидротурбины, генератора, системы стабилизации напряжения.

Как для ветроэнергетики, гидроэнергетический потенциал водотоков региона подразделяется на теоретический или валовый, технический и экономический.

Величина валовой потенциальной энергии водотока на участке реки длиной l, вырабатываемой за время Т [час], равна Расход воды по длине участка непостоянен, поэтому обычно используется линейное приближение изменения расхода вдоль участка:

где Q1, Q2 – расходы в начале и конце анализируемого участка водотока.

Таким образом, последовательно разбивая водоток на характерные участки, производится определение теоретического потенциала соответствующих участков и суммарного энергетического потенциала водотока. Границы участков обычно соответствуют местам изломов продольного профиля русла водотока. В качестве примера на рис. 4 приведен продольный профиль одной из малых рек Томской области [19].

Расчет продольного профиля водотока как правило производится с помощью топографических карт масштаба не менее 1:100 000 [19].

Расчет расхода воды в каждом характерном створе может проводиться различными способами. Очевидный вариант – обработка многолетних наблюдений. Если таких данных нет, то следует использовать карты иср.Киевский Еган Рис. 4. Продольный профиль реки Киевский Еган следуемой территории масштаба 1:100000 с изолиниями модулей среднегодового стока М [л/(скм2)]. Для определения среднемноголетней нормы годового стока реки следует оконтурить территорию ее бассейна до рассматриваемого пункта и вычислить искомую величину как средневзвешенное по оконтуренной водосборной площади значение модуля.

Кроме указанных, существуют и другие способы расчета кадастров водотоков [18].

Обычно водность рек, а с ней и гидроэнергетический потенциал сильно меняется по сезонам и месяцам. В частности для Томской области выделяются три гидрологических сезона: весеннее половодье, летнеосенний сезон и зимняя межень [19]. Минимальные расходы воды наблюдаются зимой, соответственно зимний сезон считается для гидроэнергетики лимитирующим.

Наибольшая водность характерна для весеннего половодья. Во время снеготаяния, интенсивность которого в лесной зоне сравнительно невелика, огромное количество воды аккумулируется в поймах рек, озерах, болотах и других естественных резервуарах на поверхности территории. Одновременно происходит аккумуляция воды и в подземных водоносных горизонтах, сложенных рыхлыми породами. Эти запасы поддерживают высокую водность рек в течение длительного времени, поэтому половодье получается большим по объему и растянутым во времени. Увеличивают продолжительность половодья и подпорные явления на устьевых участках притоков со стороны рек – водоприемников.

Фронт наступления половодья продвигается с юга на север. На юге оно начинается в середине апреля, а на севере и северо-востоке – в последней декаде этого месяца. Продолжительность половодья составляет 50…100 дней и зависит от его водности, величины реки, района области. Во время половодья на реках проходит 40…50 % годового стока северных рек и 60…70 % южных.

Летние и осенние осадки формируют дождевые паводки и пополняют запасы подземных вод. В результате на реках Томской области, бассейны которых находятся в лесной зоне, создается более выровненное, чем в других зонах внутригодовое распределение стока.

Летне-осенний сезон на юге области начинается после спада половодья в июне–июле. В северных районах области этот сезон начинается на 20…30 дней позднее. Продолжительность сезона уменьшается с юга на север от 140 до 95 суток, а доля стока в общем объеме за год возрастает соответственно с 10 до 30 % [19].

Некоторые малые реки со слабым подземным питанием, при отсутствии дождей, летом могут пересыхать.

Начало зимней межени определяется по началу ледостава. Это самый продолжительный гидрологический сезон, начинающийся в конце октября на северо-востоке области и в начале ноября на юге и продолжающийся, соответственно от 190 до 170 суток. В этом же направлении – с севера на юг с 10 до 20 % возрастает доля зимнего стока в годовом ходе.

Продолжительные ледовые явления существенно ограничивают возможности практического использования гидроэнергии с помощью малых гидроэлектростанций.

Технический потенциал представляет собой часть валового потенциала энергии водотока. В традиционной гидроэнергетике технический потенциал определяется как валовый, уменьшенный на величину потерь гидроэнергии в процессе ее преобразования в электроэнергию на ГЭС, а также потери от неиспользуемых участков водотока, различные потери в водохранилище и др.

Таким образом, в гидроэлектростанциях плотинного типа технический потенциал гидроэнергии – это энергетический максимум генерируемой электроэнергии, который может быть получен на данном водотоке с использованием современных технических средств и технологий энергопреобразования.

Кроме плотинных ГЭС в малой гидроэнергетике, особенно класса микроГЭС, широко распространены деривационные и русловые гидроэнергоустановки. Такие ГЭС используют только часть руслового стока и, как правило, осуществляют его регулирование. В этом случае понятие технический потенциал практически не имеет смысла и следует рассматривать энергетические характеристики собственно микрогидроэлектростанции.

Следует отметить перспективность бесплотинных гидроэнергоустановок в микрогидроэнергетике, определяемую их экологичностью, простотой конструкции и малой стоимостью при достаточно высоком уровне надежности и качества электроснабжения потребителей.

Для практического применения бесплотинных ГЭС часто весьма эффективны малые реки. Кроме гидроэнергетического потенциала региона, для таких микроГЭС весьма важно выявление участков рек и территорий, подходящих для локального использования гидроэнергии:

большие перепады отметок местности, высокая водность и скорость течения. Локальная оценка факторов, определяющих гидроэнергетический потенциал, позволяет обеспечить достаточно корректное согласование между его общими оценками и возможностями энергетического использования водотока с максимальной технико-экономической эффективностью.

Возможности использования гидроэнергии в значительной степени определяются реализуемым напором воды, который, прежде всего, зависит от рельефа местности, определяющего продольные уклоны рек на разных участках. Реки Западно-Сибирской равнины прокладывают свои русла в сравнительно легко размываемых рыхлых грунтах. Поэтому продольный профиль их русла стремится к профилю равновесия, который характеризуется максимальными уклонами реки в верховьях с постепенным их уменьшением по направлению к устью. Однако различие в устойчивости подстилающих пород к размыву приводят к нарушению плавной формы продольного профиля русла. Например, на рис.

4 показано изменение уклона русла реки Киевский Еган по ее продолжительности [19].

Увеличения уклонов рек обычно характерны для участков пересечения поднимающихся тектонических структур. Там, где скорость поднятия превышает интенсивность врезания реки, уклоны русла увеличиваются, а долина становится более узкой. Уклоны малых рек часто могут быть более высокими.

В качестве примера, на рис. 5 показаны аномальные уклоны рек Томской области [19]. Выделенные участки потенциально пригодны для размещения гидроэнергетических установок.

Солнечная энергия, как и ветровая, присутствует в любой точке поверхности Земли. Количество энергии, посылаемое Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км2, составляет в летний безоблачный день 7…9 млн. кВт [20]. Эта величина больше, чем мощность Красноярской ГЭС.

Лучистая энергия, проходя через атмосферу, рассеивается и поглощается. Достигая земной поверхности, солнечная радиация частично отражается. Неотраженная часть радиации поглощается, превращаясь в тепло. Нагретая поверхность, в свою очередь, становится источником собственного излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, нагревающаяся за счет теплообмена с земной поверхностью, также является источником излучения, направленного к земной поверхности и в мировое пространство.

Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих радиации представляет собой радиационный баланс, уравнение которого имеет вид или где S ' – прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность;

D – рассеянная солнечная радиация; Rк – отраженная коротковолновая радиация; Ео – противоизлучение атмосферы; Ез – излучение земной поверхности; Q – суммарная солнечная радиация; Еэф = Ез – Ео – эффективное излучение.

Под прямой солнечной радиацией S ' понимают пучок параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о. Доля этой радиации, приходящаяся на горизонтальную поверхность, вычисляется по формуле где h – высота солнца над горизонтом.

Рассеянная солнечная радиация поступает на поверхность земли от всех точек небесного свода за исключением диска солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о. Рассеянное излучение обусловлено молекулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристаллами облаков, твердыми частицами, взвешенными в воздухе.

Интенсивность радиации удобно измерять в Ваттах на 1 м2, а ее энергию за определенное время в киловатт-часах на 1 м2 – кВтч/м2.

Наиболее полной энергетической характеристикой солнечного излучения является суммарная солнечная радиация:

На гелиоэнергетические ресурсы территории оказывают непосредственное влияние географические и климатические характеристики:

продолжительность светового дня; средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния; средние месячные и годовые характеристики прозрачности атмосферы и ряд других.

Оценка потенциала солнечной энергетики основывается на многолетних данных актинометрических наблюдений на возможно большем количестве станций, распределенных достаточно равномерно по территории.

Потенциальные возможности прихода солнечной радиации определяются географической широтой места. Климатические характеристики района, косвенно характеризуемые продолжительностью солнечного сияния, вносят существенные коррективы в возможность эффективного использования энергии солнца.

В случаях недостаточного количества актинометрических станций в регионе, для расчетного определения прихода солнечного излучения разработаны соответствующие методики [18] и расчетные формулы где Q – суммарная интенсивность солнечного излучения на горизонтальную поверхность за определенный период времени [кВт·ч/м2];

Qо – суммарное солнечное излучение при безоблачном небе за рассматриваемый временной интервал; а, в – эмпирические коэффициенты;

tс [ч] – эмпирическая продолжительность солнечного сияния за выбранный период времени; tо [ч] – астрономическая возможность времени солнечного сияния на данной широте [18].

Распространенным методом описания поля суммарной радиации является полиномиальная аппроксимация. Метод основан на описании участка поля метеорологической величины (Т) в окрестностях точки полиномом первого порядка где x и у – декартовы координаты локальной системы, причем ось x направлена на восток, а ось y на север, координаты задаются в сотнях километров; А0, А1, А2 – весовые коэффициенты. Для их вычисления применяется метод наименьших квадратов, подробно изложенный во многих работах [14, 19].

Суть метода наименьших квадратов состоит в следующем: наилучшими коэффициентами аппроксимации или выравнивания считаются те, для которых сумма квадратов невязок будет минимальной.

Необходимое условие минимума функции многих переменных заключается, как известно, в том, что все её частные производные должны равняться нулю. Отыскав частные производные по А0, А1, А2 и приравнивая их к нулю, получим систему уравнений с тремя неизвестными:

Неизвестные коэффициенты А0, А1, А2, характеризующие поле величины Т, находятся решением системы линейных уравнений, в которых N – число влияющих станций, выбранных для расчета полей характеристик солнечной радиации. Суммирование прямоугольных координат локальной системы x и y ведется по всем станциям.

Координаты x и y определяются по формулам где x и y – прямоугольные координаты в сотнях километров; и – широта и долгота станции в градусах; 0 и 0 – координаты начала локальной прямоугольной системы координат в градусах; – средняя широта исследуемого района в градусах; а – коэффициент, равный 111,2 км/градус, соответствующий средней длине одного градуса дуги меридиана.

Выше приведенные формулы, хотя и являются приближенными, но для умеренных широт дают хорошие результаты для площадей, поперечник которых не превышает 2000…3000 км [19].

Аналитическое представление осредненных полей средних месячных величин в виде полинома позволяет оценить их горизонтальное распределение. Физический смысл весовых коэффициентов предельно прост и заключается в следующем: А0 – характеризует месячные значения метеорологической величины в начале координат (x = 0, y = 0);

А1 – показывает изменение этой величины в направлении с запада на восток на 100 км, знак минус означает понижение её с запада на восток;

А2 – показывает изменение величины с юга на север на 100 км, знак минус соответствует понижению её с увеличением широты местности.

При оценке потенциальных гелиоэнергоресурсов важно учитывать следующие климатические характеристики:

1) средние многолетние месячные и годовые суммы суммарной радиации Q;

2) процентное соотношение прямой солнечной радиации в общей сумме Q. Прямая радиация, поступающая на приёмную поверхность солнечной установки, может преобразовываться в тепловую или электрическую энергию;

3) экстремальные месячные суммы Q;

4) среднеквадратичное отклонение месячных и годовых сумм Q;

5) средние многолетние суточные суммы Q по месяцам;

6) экстремальные суточные суммы Q по месяцам при реальных условиях облачности;

7) среднеквадратичное отклонение суточных сумм Q;

8) средние многолетние суммы Q за часовые интервалы;

9) средние многолетние значения интенсивности Q по срокам;

10) коэффициент вариации (%) суточных и месячных сумм Q;

11) продолжительность светового дня, когда могут работать гелиоустановки;

12) средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния;

13) повторяемость непрерывной продолжительности солнечного сияния более 6 ч;

14) отношение фактической продолжительности солнечного сияния к возможной;

15) средняя продолжительность солнечного сияния за день с солнцем;

16) число дней без солнца;

17) средние многолетние месячные и годовые значения коэффициента прозрачности атмосферы;

18) среднее многолетнее месячное и годовое количество общей и нижней облачности;

19) средняя месячная многолетняя повторяемость ясного (0…2 балла), полуясного (3…7 баллов), пасмурного (8…10 баллов) неба по общей и нижней облачности.

Для измерения прямой солнечной радиации на актинометрических станциях используются приборы-актинометры. Рассеянная и отраженная радиация измеряется универсальным пиранометром. Радиационный баланс – балансометром.

Приход солнечной радиации к земной поверхности зависит от многих факторов:

2) от времени года и суток;

3) от прозрачности атмосферы;

5) от характера подстилающей поверхности;

6) от высоты места над уровнем моря;

7) от закрытости горизонта.

Последние два фактора оказывают существенное влияние на поступающую солнечную радиацию в условиях изрезанного рельефа.

Количество радиации, получаемое земной поверхностью за сутки, зависит, прежде всего, от широты и времени года. На каждой широте время года определяет продолжительность дневной части суток (светового дня) и, следовательно, продолжительность притока радиации.

С увеличением широты продолжительность светового дня зимой уменьшается, а летом увеличивается.

Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не только от продолжительности дня, но и от высоты солнца. Высота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и суток.

Максимальная (в истинный полдень) высота Солнца в день летнего солнцестояния равна где – широта места.

Наименьшая высота Солнца – в день зимнего солнцестояния Зависимость прихода солнечной радиации от широты более чётко прослеживается зимой: в направлении к более высоким широтам количество солнечной радиации убывает. Летом с увеличением широты увеличивается продолжительность дня и прозрачность атмосферы, что способствует увеличению прямой и суммарной радиации. Увеличение же облачности уменьшает прямую и увеличивает рассеянную радиацию.

Поток рассеянной радиации, хотя частично и компенсирует ослабление потока прямой солнечной радиации в атмосфере, но эта компенсация не является полной. Поэтому поток суммарной радиации при наличии облачности, если солнце не закрыто облаками, будет больше, чем при безоблачном небе.

Влияние роста прозрачности в реальных условиях может перекрываться влиянием облачности на приход радиации. Уменьшение прозрачности атмосферы приводит к увеличению рассеянной радиации.

В качестве примера обработки статистических наблюдений облачности над территорией Томской области приведем полиномиальную зависимость первой степени, отражающую среднегодовое значение общей облачности в баллах Коэффициент 6,76 характеризует среднее годовое количество облаков в баллах (в начале локальной системы координат). Коэффициент при х показывает, что общая облачность за год имеет тенденцию к увеличению на 0,02 балла на 100 км с запада на восток. Коэффициент при y характеризует уменьшение среднего балла общей облачности на 0,03 балла с юга на север. Общий градиент увеличения облачности направлен с северо-запада на юго-восток Томской области.

Кроме прозрачности и облачности большое влияние на рассеянную радиацию оказывает характер подстилающей поверхности. По мере увеличения отражательной способности подстилающей поверхности значительно возрастает поток рассеянной радиации. При наличии снежного покрова увеличивается отражение прямой солнечной радиации, вторичное рассеяние которой в атмосфере приводит к увеличению рассеянной радиации.

С увеличением высоты над уровнем моря поток прямой солнечной радиации возрастает, что объясняется уменьшением оптической толщины атмосферы. Вследствие этого максимальные значения потока солнечной радиации в горных районах больше, чем на равнинной местности.

Величина потока рассеянной радиации с поднятием над уровнем моря уменьшается при ясном небе, т. к. уменьшается толща рассеивающих слоёв атмосферы. При наличии же облачности поток рассеянной радиации в слоях ниже облаков с высотой увеличивается.

Приход прямой и суммарной радиации уменьшается в пунктах, расположенных на дне долин или котловин, за счёт закрытости горизонта.

Прямая, рассеянная и суммарная солнечная радиация имеют хорошо выраженный годовой и суточный ход, которые определяются изменениями высоты Солнца и облачности.

Пример районирования региона – Томской области по гелиоэнергетическим ресурсам в виде карты с нанесенными зонами потенциальной энергии солнечного излучения приведен на рис. 6.

Рис. 6. Потенциальные гелиоэнергетические ресурсы (кВт·ч/м2 год) По потенциальным возможностям поступления солнечной радиации в пределах Томской области можно выделить следующие зоны [19]:

I – юго-западная часть Томской области. Средние годовые суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность составляют 1100–1200 кВтч/м2 при средних значениях облачности, прозрачности атмосферы и открытости горизонта. Эти условия обеспечивают стабильную эксплуатацию гелиосистем.

II – центральная часть Томской области. Среднее значение энергетических ресурсов за год составляет 1000–1100 кВтч/м2, что в основном удовлетворяет требованиям эксплуатации малых и средних гелиосистем.

III – северо-восточная часть Томской области. Потенциальные гелиоресурсы составляют 900–1000 кВтч/м2. В этом районе условия неблагоприятны для использования крупных и средних гелиосистем.

Приведенные характеристики потенциальных гелиоэнергетических характеристик являются интегральными, что не позволяет отражать ряд микроклиматических особенностей, которые могут оказывать на них определенное влияние.

Оценки гелиоэнергетических ресурсов получены для горизонтально расположенной приемной поверхности солнечной батареи. Простейшим способом увеличения коэффициента полезного действия гелиоустановок является ориентация их приемных поверхностей на юг под углом 45…50 о, что позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии на 15…20 %.

Изучение распределения мощности солнечного излучения по месяцам позволило сделать вывод, что эффективная работа солнечных энергоустановок в северной и центральной частях Томской области до широты 58 о продолжается с апреля по август. В более южных районах период их эффективной работы увеличивается с марта по сентябрь. В остальные месяцы из-за малой высоты солнца над горизонтом и ослабления солнечного излучения атмосферой эффективность использования гелиоприемников падет в 4…5 раз.

Таким образом, Томская область характеризуется довольно широкими возможностями для применения солнечных энергоустановок сезонного типа, особенно в сельской местности.

В целом, солнечная энергия характеризуется максимальной простотой использования и повсеместным распространением. Эти обстоятельства определяют гелиоэнергетику как одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики.

В недрах Земли сосредоточено колоссальное количество тепловой энергии. Однако технологические трудности и высокие затраты не позволяют сегодня рассматривать эти энергоресурсы в качестве реального энергоисточника.

Более доступны для использования гидрогеотермальные ресурсы:

термальные воды, пароводяные смеси и сухой пар. Освоение гидрогеотермальной энергии весьма актуально и интенсивно высокопотенциальные (> 100 оС), среднепотенциальные (70…100 оС) и низкопотенциальные энергии на континентах весьма неравномерно и обусловлено в основном структурно-тектоническими условиями конкретных районов.

Очевидно, большей энергетической ценностью обладают высокопотенциальные воды рифтовых и вулканических районов. К сожалению, доля этих высокотермальных вод в общем гидрогеотермическом балансе для России не превышает 5…7 %. Основные запасы гидротермальных ресурсов связаны с пластовыми артезианскими бассейнами [18].

Развитие технологий геотермальной энергетики приводит к постепенному расширению электроэнергетических и теплотехнических возможностей преобразования термальных вод в сторону понижения температуры: для производства электроэнергии до 60…70оС и тепла до 5…10оС.

Важными оценочными элементами гидрогеотермальных месторождений являются: ресурсный показатель; производительность скважин и водозаборов; напор на устье скважин; глубина залегания водоносных горизонтов; степень минерализации; солевой и газовый состав термальных вод.

Следует отметить существенную зависимость эффективности использования гидрогеотермальных ресурсов от их геохимических свойств, определяющих срок службы трубопроводного, теплообменного и другого оборудования.

По степени минерализации подземные виды разделяются на пресные, содержащие менее 0,1 г/л примесей, мезопресные 0,1…0,5 г/л и апопресные – 0,5…1 г/л, соленые (солоноватые 1…3 г/л, соленые 3…10 г/л и крепкосоленые 10…36 г/л) и рассолы (слабые 36…150 г/л, крепкие 150…320 г/л, весьма крепкие 320…500 г/л и предельно насыщенные – > 500 г/л).

Важной составляющей термальных вод являются водорастворенные газы, влияющие на механико-энергетические и другие свойства термальных вод. По газовому фактору (л/л) выделяют воды с очень низким – менее 0,1, низким (0,1…0,5), средним (0,5…1), высоким (1…5) и весьма высоким – более 5 газосодержанием.

Высокая газонасыщенность вод способствует снижению порога выделения парогазовой смеси, облегчению теплоносителя за счет образования водногазовой смеси. Эти эффекты увеличивают геомеханическую энергию и производительность скважин. При высокой газонасыщенности углеводородными газами и сам газ может иметь определенную энергетическую ценность.

Агрессивные свойства воде обычно придают СО2 и H2S, а также О2, попадающий в воду чаще всего при выходе на земную поверхность, и кислотные газы вулканических терм.

Пример районирования территории по основному энергетическому показателю подземных вод – температуре показан на рис. 7.

Рис. 7. Распределение гидротермальных запасов по Томской области Крупнейшими запасами термальных вод, достигающими 70 % общих российских запасов, обладает Западно-Сибирский нефтегазоводоносный мегабассейн. До 40…50 % геотермальных ресурсов этого мегабассейна сосредоточены на территории Томской области. Термальные воды находятся здесь на доступной глубине 1…4 км и обладают колоссальным энергетическим потенциалом.

По своим энергетическим характеристикам геотермальные воды Томской области относятся к низкопотенциальным и среднепотенциальным и могут применяться не только для теплофикации объектов, но и для производства электроэнергии.

Наибольшим геотермальным потенциалом обладает центральная часть Томской области, на которой расположены многие населенные пункты: Колпашево, Белый Яр, Подгорное, Парабель, Каргасок, Чажемто, Инкино, Нарым, Большая Грива, Назино, Лукашкин Яр и др. На этой территории пробурено значительное количество нефтепоисковых скважин, выводивших на поверхность термальные воды с температурой на устье до 66 оС.

Наличие значительных запасов гидрогеотермических ресурсов, большого количества действующих или временно законсервированных водозаборных сооружений, мощной научно-методической базы и богатого практического опыта, а также высокого спроса на энергию позволяет незамедлительно приступать к широкому использованию геотермальной энергии в Томской области. Уже сегодня можно выбрать оптимальные технологии и обозначить первоочередные энергетические объекты, как, например, это показано на рис. 7. Энергоэффективность таких объектов следует ожидать достаточно высокой ввиду стабильности параметров энергоносителя, безопасности использования и практически неограниченных запасов термальных вод.

К понятию биомассы относят различные сырьевые энергоресурсы растительного происхождения: древесину лесов, торф, отходы сельскохозяйственного производства и т. д. В условиях России децентрализованные электроэнергетические зоны, как правило, обладают значительными ресурсами леса и торфа, многократно превышающими другие виды биомассы. Поэтому, в первую очередь, необходимо оценить энергетические возможности этих видов природных энергоисточников.

При определении энергетического потенциала биомассы необходимо рассматривать следующие факторы:

1. Объем биоресурса, его распределение по территории децентрализованной энергетической зоны.

2. Теплотворные способности различных видов, фракций и пород сухой биомассы.

3. Абсолютную и относительную влажность исходного сырья.

Ресурс биомассы древесины определяется по данным системы учета лесного фонда. Соответственно, запасы торфа – по разведанным и учтенным месторождениям этого сырья в регионе.

Для типичного Российского региона с децентрализованными энергетическими зонами – Томской области – энергетическая оценка ежегодных объемов древесного топлива приведена в таблице 8.

Из таблицы видно, что теплотворная способность получаемых в результате лесозаготовок по главному пользованию дров аналогична 3, млн. тонн угля Кузнецкого бассейна, причем топлива, не содержащего серы.

Энергетическая оценка ежегодного объема древесного топлива Хвойные Лиственные Всего Объем возможного количества ежегодно получаемых дров не ограничивается рубками главного пользования. В процессе ухода за лесом, санитарных и прочих рубок возможно получение 2 млн. м3 дровяной древесины с теплотворной способностью 26 1015 Дж.

Таким образом, речь идет о значительном энергетическом источнике, источнике неисчерпаемом, экологически чистом и в этом плане несравнимом ни с нефтью, ни с газом.

Торф является одним из широко распространенных твердых горючих ископаемых. Россия обладает наибольшими запасами торфа, прогнозная величина которых превышает 180 109 тонн [19].

Торф в качестве топлива используется в следующих видах: фрезерный торф (торфяная крошка), кусковой торф (мелкокусковой, гранулированный), брикеты и полубрикеты.

Энергетические характеристики торфяного топлива в сравнении с другими распространенными видами топлива приведены в таблице 9.

Томская область занимает второе место по запасам торфа после Тюменской области. На ее территории выявлено и учтено на 1994 год 1340 торфяных месторождений практически во всех районах.

Таким образом, такие виды биотоплива как древесина и торф широко распространены в России и рассматриваются во многих случаях как первоочередные энергоресурсы, занимающие традиционную энергетическую базу децентрализованных зон. Главными достоинствами этих энергоресурсов являются независимость их потенциала от времени года, отработанные технологии энергопреобразования, низкая себестоимость производимой электроэнергии.

Торф:

1.7. Экономические аспекты использования возобновляемых энергоресурсов для производства электроэнергии Перспективность вовлечения в энергобаланс регионов энергии природных возобновляемых источников определяет актуальность проблемы энергоэффективности установок, использующих энергию ветра, солнца, потоков воды.

Основными нормативно-правовыми документами, регламентирующими оценку эффективности энергетического бизнеса и применение источников энергии, являются:

• Федеральный закон об энергосбережении № 28-Ф3 от 03.04.96 г.

• Правила пользования электрической энергией.

• Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении РД 34.09.101-97.

• Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения ГОСТ 131.09-97.

• Порядок установления показателей энергопотребления и энергосбережения в документации на продукцию и процессы ГОСТ Р50В существующей нормативно-правовой и методической базе отсутствуют или недостаточно проработаны требования к малой энергетике, децентрализованным системам электроснабжения, основанным на использовании автономных энергоустановок, в том числе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

В силу низкой энергетической плотности возобновляемых энергоресурсов (ВЭ) и их крайней изменчивости, стоимость производимой электроэнергии с использованием ВЭ в настоящее время обычно превышает тариф на электроэнергию, полученную традиционными способами. Поэтому конкурентоспособной областью нетрадиционной энергетики является малая энергетика, особенно в децентрализованных системах электроснабжения потребителей, находящихся в отдаленных, труднодоступных местах.

Для эффективной организации децентрализованного электроснабжения с использованием ВЭ актуальны следующие вопросы:

• оценка объемов и условий электроснабжения потребителей, не имеющих централизованного электроснабжения;

• оценка потенциала возобновляемых энергоресурсов в зоне размещения объектов электрификации и выделение приоритетных видов природной энергии;

• разработка методик и анализ технико-экономических характеристик вариантов построения децентрализованных систем электроснабжения;

• разработка критериев экономической эффективности эксплуатации децентрализованных систем электроснабжения;

• анализ социальных и экологических аспектов использования ВЭ для децентрализованного электроснабжения объекта;

• анализ возможных организационно-правовых форм функционирования энергетического бизнеса в децентрализованных зонах энергообеспечения потребителей. Разработка предложений по совершенствованию нормативно-правовой базы для реализации данного направления энергетического бизнеса.

Данная работа направлена на определение условий техникоэкономической эффективности использования возобновляемых энергоресурсов в децентрализованных зонах энергоснабжения. Исследование данной проблемы проводилось с учетом следующих факторов:

• комплексный подход к оценке экономической и энергетической эффективности децентрализованных зон с различными типами энергоисточников;

• региональные, климатические, географические факторы при определении условий экономической и энергетической эффективности функционирования децентрализованных систем энергообеспечения;

• тенденции развития и изменения зон децентрализованного энергоснабжения;

• тенденция развития энергоустановок, использующих местные, в том числе возобновляемые энергоресурсы.

Оценка эффективности применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения автономных объектов, не имеющих централизованного электроснабжения, производится на основе сравнительного технико-экономического анализа всех возможных вариантов электрификации. При этом необходимо рассмотреть варианты электроснабжения не только от нетрадиционных источников энергии, но и вполне традиционных: централизованная энергосистема и жидко-топливные генераторы. Электроснабжение от энергосистемы предусматривает строительство линии электропередачи, а в качестве жидко-топливных генераторов наиболее распространены дизельные электростанции. Соответственно, к возможным вариантам электроснабжения автономного объекта отнесены:

• централизованное электроснабжение (строительство ЛЭП);

• дизельные электростанции;

• микрогидроэлектростанции;

• ветроэнергетические установки;

• солнечные электростанции.

При этом, в качестве критериев оценки, применяются 3 группы показателей:

• социально-экологические.

В группу технических показателей входит всего один критерий – критерий технической выполнимости проекта. Исходными данными для определения данного критерия являются сведения об основных технических характеристиках первичного источника энергии. В связи с этим, критерий технической выполнимости проекта на основе дизельных электростанций всегда положителен; при электроснабжении от централизованной энергосистемы зависит от требуемой установленной мощности объекта электроснабжения Р (кВт) и расстояния до централизованной электрической сети L (км); для микроГЭС определяется исходя из минимальной скорости течения водотока в месте установки станции V min (м/с) и минимальном расходе воды Qmin (л/с); для ветроэнергетической установки критерием является среднегодовая скорость ветра на уровне ступицы ветроколеса V ср (м/с); для солнечных электростанций – среднемесячная дневная энергетическая освещенность Е (кВт·ч/м2).

Основным критерием экономической эффективности являются приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности системы электроснабжения, которые определяются из выражения:

Р – установленная мощность объекта электроснабжения (кВт); К – общие капиталовложения (руб):

где K уст – стоимость комплектного оборудования (руб); K пр – стоимость проектных работ по определению места установки на местности (руб); K стр – стоимость строительных и монтажных работ по установке электростанции (подстанции) (руб).

p н = – нормативный коэффициент рентабельности, где Т – экоТ номический срок службы оборудования (лет).

С – общие годовые эксплутационные расходы (руб):

где Сэкс – годовые расходы на эксплуатацию системы электроснабжения (руб); Срем – годовые расходы на плановый ремонт (руб); С топ – годовые расходы на топливо (руб); Сд.топ – годовые расходы на доставку топлива (руб).

Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии:

где W – общее количество электрической энергии, вырабатываемое электростанцией в течение года.

В качестве социально-экологических критериев эффективности применения различных вариантов электроснабжения принимались следующие:

• потенциальная угроза жизни людей;

• наличие топливной составляющей;

• отчуждение земли;

• влияние на птиц и животных;

• акустическое воздействие и вибрация;

• электромагнитное излучение.

Так как количественная оценка социально-экологических критериев крайне затруднительна, а подчас и невозможна, то при анализе производится только их качественная оценка, которая может служить в качестве дополнительного критерия при выборе наиболее рационального варианта электроснабжения автономного объекта.

Отметим также, что при выборе между традиционными и нетрадиционными источниками энергии следует руководствоваться не только текущими экономическими затратами.

До настоящего времени ни в одной стране мира существенная часть стоимости производства энергии не отражается в тарифах на энергию, а распределяется на затраты своего общества [21].

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн. лет [22]. Гигантские темпы потребления невозобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь взаймы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене.

Другая составляющая стоимости энергии, которая распределяется на все общество и не включается в тарифы за энергию, связана с загрязнением окружающей среды энергетическими установками [35].

Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном, из углекислого газа, который ответственен за тепличный эффект и изменение климата и, например, приводит к засухе в районах производства зерна и картофеля. Другие выбросы включают окислы серы и азота, которые в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты и возвращаются на землю со снегом или в виде кислотных дождей. Повышенная кислотность воды приводит к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов и гибели лесов, повреждению строительных конструкций и зданий. Токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, свинец, могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты. Существует большая неопределенность в определении реальной стоимости электроэнергии, получаемой от атомных электростанций. Можно утверждать, что реальные цены в атомной энергетике будут определены после того, как будут решены вопросы безопасности АЭС и ядерных технологий по получению топлива и захоронения отходов и разработаны принципы обращения с оборудованием, зданиями и сооружениями АЭС, выводимыми из эксплуатации через тридцать лет работы, и эти цены будут выше существующих.

Приближенные оценки прямых социальных затрат, связанных с вредным воздействием электростанций, включая болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину, добавляющую около 75 % мировых цен на топливо и энергию [16]. По существу это затраты всего общества – экологический налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок, и этот налог должен быть включен в стоимость энергии для формирования государственного фонда энергосбережения и создание новых экологически чистых технологий в энергетике.

Если учесть эти скрытые сейчас затраты в тарифах на энергию, то большинство новых технологий возобновляемой энергетики становится конкурентоспособными с существующими технологиями. Одновременно появится источник финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой «экологический» налог в размере от 10 до 30 % от стоимости нефти введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах и других странах ЕЭС [21].

Методика оценки эффективности применения нетрадиционных и возобновляемых энергоисточников заключается в последовательном определении технических, экономических и социально-экологических критериев для всех возможных вариантов электроснабжения автономного объекта и их сравнительном анализе.

Исходными данными для определения критериев являются кадастр нетрадиционных и возобновляемых источников рассматриваемого региона, технические и экономические показатели комплектующих и оборудования, выпускаемого ведущими российскими предприятиями, Государственные элементные сметные нормы (ГЭСН) на строительные и монтажные работы.

Данная методика может быть использована с учетом двух основных положений.

Во-первых, технические и экономические показатели, используемые в данной методике, приняты на сегодняшний день, и в последствии могут изменяться. Например, минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск современных ветроэнергетических установок, составляет 3…4 м/с. Однако, развитие технологий, несомненно, в скором будущем позволит уменьшить этот предел. К тому же, современные тенденции развития технологий возобновляемой энергетики и неизбежное сокращение запасов органического топлива, позволяют прогнозировать одновременный рост цен на традиционные энергоносители и снижение удельной стоимости оборудования для малой энергетики.

Во-вторых, при определении критериев экономической эффективности используются средние технические и экономические показатели комплектующих и оборудования, и соответственно, они могут быть использованы только для сравнительного анализа различных вариантов электроснабжения и выбора наиболее рационального. Полная смета затрат на проект и точные экономические расчеты могут быть выполнены только после выбора конкретного варианта электроснабжения и подбора соответствующих комплектующих.

Важно также отметить, что успешное использование возобновляемых источников энергии во многом зависит от правильного выбора места установки электростанции. Например, энергия ветрового потока во многом зависит от рельефа местности и имеющихся наземных зданий и сооружений, а все реки имеют аномальные уклоны с естественными местами концентрации энергии водного потока. Поэтому выбор места установки каждой конкретной электростанции, использующей энергию природных возобновляемых источников, должен производиться на основании проекта привязки к местности, который должен быть выполнен соответствующими специалистами.

1. Способы классификации возобновляемых источников энергии.

2. Поясните понятия; валовый, технический, экономический потенциал возобновляемых энергоресурсов.

3. Охарактеризуйте достоинства и недостатки возобновляемых источников энергии.

4. Сформулируйте основные причины, по которым требуется согласование режимов работы энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем.

5. Приведите примеры основных схемных решений согласования возобновляемых источников эгергии с потребителями.

6. Назовите основные энергетические характеристика ветра.

7. Каким образом определить ветроэнергетический потенциал территории?

8. Как подсчитать мощность водотока на конкретном участке русла?

9. Какие факторы являются определяющими для использования гидроэнергии в целях производства электроэнергии?

10. Назовите составляющие энергетического баланса солнечного излучения.

11. Энергетические характеристики солнечного излучения.

12. Факторы, влияющие на энергию солнечного излучения.

13. Классификация гидрогеотермальных энергоресурсов.

14. Достоинства и недостатки геотермальной энергетики.

15. Назовите факторы, определяющие энергетический потенциал биомассы.

16. Охарактеризуйте критерии оценки эффективности электроснабжения потребителей от энергоустановок возобновляемой энергетики.

17. Назовите факторы, определяющие конкурентноспособность возобновляемой энергетики с традициолнными электростанциями.

Глава 2. Электростанции, использующие механическую энергию 2.1. Ветроэлектростанции и их основные характеристики Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического использования природных возобновляемых энергоресурсов. Суммарная установленная мощность крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире оценивается сегодня в 44000 МВт [24]. Единичная мощность наиболее крупных ветряных установок превышает 1 МВт. Во многих странах появилась даже новая отрасль – ветроэнергетическое машиностроение. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и т. д. [24, 25]. В частности, Германия планирует к 2030 году производить при помощи ветра до 30 % всей электроэнергии страны.

Достаточно широкое распространение ветроэнергетических установок объясняется их относительно невысокими удельными капиталовложениями по сравнению с другими возобновляемыми энергоисточниками.

В России к началу нынешнего века использовалось около двух с половиной тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года ветряные мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Однако интерес к ветроэнергетике не исчезал и, иногда, предпринимались попытки использовать энергию ветра на научной и государственной основе. В 1931 году в районе Ялты была построена крупнейшая для своего времени ветроустановка на 100 кВт. В СССР разработкой ВЭУ небольшой мощности занималось НПО «Ветроэн» с производственными мощностями в г. Астрахани и г. Фрунзе.

В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. Созданы отечественные образцы ВЭУ мощностью до 100 кВт, например ВЭУ «Радуга» [8]. Однако недостаточный объем финансирования научных и опытно-конструкторских разработок не способен обеспечить не только развитие, но и поддержку научно-технического уровня, достигнутого в данной сфере.

Принцип действия всех ветродвигателей заключается во вращении ветроколеса с лопастями под напором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Кинетическая энергия W воздушного потока с площадью поперечного сечения S, имеющего плотность и скорость V равна [26]:

Механическая энергия ветродвигателя Wвд определяется коэффиW циентом использования энергии ветра = вд, зависящего от типа ветродвигателя и режима его работы.

Электрическая мощность генератора ветроэнергетической установки может быть определена по формуле:

где R – радиус ветроколеса; – КПД электромеханического преобразователя энергии.

По принципу действия ветродвигатели могут быть разделены на две группы: двигатели, у которых вращающий момент образуется в результате разности сил лобового давления потока воздуха на лопасти рабочего колеса относительно оси его вращения, и ветроустановки, вращающиеся под действием аэродинамической подъемной силы.

К первой группе относятся ветродвигатели карусельного, роторного и барабанного типов. Благодаря простейшей конфигурации рабочего ветроколеса они имеют невысокую стоимость и весьма неприхотливы в эксплуатации. Однако широкого распространения эти ветродвигатели не получили из-за малого коэффициента использования энергии ветра и тихоходности. Расчеты показывают, что наибольшую мощность двигатель развивает, когда рабочая плоскость, воспринимающая действие потока воздуха, движется со скоростью, равной 1/3 скорости ветра [26]. При этом значение для данных двигателей не превышает 0,18.

Основным типом ветродвигателя в настоящее время является двигатель крыльчатой конструкции, в котором вращающий момент создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях рабочего ветроколеса. В большинстве стран выпускают и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Они отличаются большими коэффициентами использования энергии ветра и значительно большей быстроходностью. Максимальное значение для быстроходных колес достигает 0,45…0,48.

По конструктивному исполнению ветродвигатели делятся на две группы:

• ветродвигатели с горизонтальной осью вращения;

• ветродвигатели с вертикальной осью вращения.

Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения наиболее эффективны, когда поток воздуха перпендикулярен плоскости вращения лопастей. Для обеспечения этого условия в составе ВЭУ требуется устройство автоматического поворота оси вращения. Обычно эту роль выполняет крыло-стабилизатор или соответствующая система ориентации ветродвигателя.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра без изменения своего направления.

Учитывая подавляющее распространение крыльчатых трехлопастных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения, далее рассматриваются ветроэлектростанции с ветродвигателем указанной конструкции.

С точки зрения диапазона мощностей ветроэнергетические установки можно разделить на ВЭУ, предназначенные для «большой» энергетики и малые ветроэлектростанции, перспективные для систем автономного электроснабжения.

Следует отметить, что наибольшие успехи ветроэнергетики в мире характерны именно для большой энергетики. Это объясняется с одной стороны более высокой энергоэффективностью крупных сетевых ветроэлектростанций, а с другой – ограниченностью или отсутствием децентрализованных зон электроснабжения в передовых странах с высокоразвитой транспортной и другой инфраструктурой.

Более высокая энергоэффективность крупных ВЭС определяется более высоким и стабильным энергетическим потенциалом ветра на высоте их башни, достигающей 100 метров. Кроме того, работа ветроэлектростанции на электроэнергетическую систему облегчает согласование возможной величины (для данного ветра) генерируемой и отдаваемой потребителю электроэнергии. Само по себе наличие электрической системы устраняет необходимость в устройствах накопления энергии и резервных энергоисточниках, которые необходимы для автономных ветроэлектростанций.

Для электроснабжения небольших, рассредоточенных потребителей требуются автономные ветроэлектрические установки относительно малой мощности. Традиционная компоновка таких ветряков предусматривает использование крыльчатого ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Распространенным профилем лопастей в настоящее время являются профили типа NACA 4415, NACA 4418, NFL 416, обеспечивающие быстроходность Z = 6…9.

Изменчивость энергии ветра требует в составе ветроэлектростанции буферное устройство, в качестве которого обычно используется аккумуляторная батарея. Поскольку аккумуляторная батарея имеет напряжение кратное 12 В, то генератор ВЭУ должен выполняться на соответствующее напряжение постоянного тока. Современным решением конструкции генератора ветроэлектростанции малой мощности является безредукторный многополюсный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводниковым выпрямителем выходного напряжения якорной обмотки. Для стабилизации генерируемого напряжения и обеспечения оптимального режима зарядки аккумуляторных батарей предусматривается регулятор напряжения.

Получение переменного напряжения стандартных параметров осуществляется с помощью автономного инвертора, содержащего повышающий трансформатор.

Общий вид структурной схемы ВЭС, предназначенной для автономного электроснабжения потребителей переменным напряжением стандартных параметров показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема автономной ВЭС: 1 – ветродвигатель;

2 – генератор; 3 – выпрямительно-зарядное устройство; 4 – аккумуляторная батарея; 5 – автономный инвертор; 6 – электрические нагрузки станции Использование в современных конструкциях ВЭС быстроходных ветродвигателей позволяет исключить из состава ветроагрегата повышающий редуктор и улучшить тем самым массо-габаритные, стоимостные и эксплуатационные характеристики энергоустановки.

Частота вращения ветроколеса в номинальном расчетном режиме достигает сотен оборотов в минуту, что позволяет использовать безредукторные генераторы. Чем больше число лопастей рабочего колеса, их ширина и угол поворота лопастей относительно плоскости вращения, тем при прочих равных условиях, быстроходность двигателя ниже.

Обычно быстроходность ветроколеса характеризуется числом модулей:

где – угловая частота вращения ветродвигателя; Rвн – радиус ветроколеса.

Типовые рабочие характеристики момента на валу ветродвигателя крыльчатой конструкции в зависимости от скорости ветра и частоты вращения показаны на рис. 9. Основными параметрами рабочей харакM в, о.е.

Рис. 9. Типовые зависимости момента ветродвигателя от теристики ветродвигателя, при постоянной скорости ветра, являются номинальный относительный момент M в = в = 1, который развивает ветроколесо при нормальном числе модулей Z и, соответственно, номинальной относительной частоте вращения n ' = 1 ; M o – начальный относительный момент, развиваемый ветроколесом при трогании; M вмах – максимальный момент ветродвигателя; предельная синхронная частота вращения no и синхронное число модулей Z0 для данного ветра, при которых M в = 0. По номинальным значениям Мвн, nн, Vн, Zн ветродвигатель рассчитывается на длительный режим работы.

С уменьшением скорости ветра максимумы кривых M в = f (n) уменьшаются, и все кривые смещаются в сторону уменьшения частоты вращения.

Режим работы ветроэлектростанции под нагрузкой графически определяется наложением на характеристики ветродвигателя аналогичных характеристик генератора с его электрической нагрузкой. Принципиально возможна работа ветрогенератора в двух режимах: с постоянной частотой вращения и с переменной частотой. Работа энергоблока с переменной частотой вращения более эффективна, поскольку может обеспечить максимальный объём мощности при любой скорости ветра.

Этот режим графически соответствует характеристике генератора, пересекающей зависимости М в = f (n ' ) в точках близких к их максимумам.

Режим с постоянными оборотами не может обеспечить столь же эффективную работу ветроэлектростанции при переменной скорости ветра.

Это обстоятельство определяет наличие инвертора в составе энергетического оборудования современных ВЭС, работающих, как правило, в режиме переменных оборотов.

Конструкция собственно ветродвигателя сегодня, особенно для ВЭС небольшой мощности, либо вообще не предусматривает устройств регулирования частоты вращения, либо они предусматривают только ограничение развиваемой мощности при превышении скорости ветра расчетных номинальных значений. Вышесказанное не распространяется на системы аварийного вывода ветроколеса из-под ветра, достигшего предельных буревых значений.

Таким образом, мощностные характеристики ветроэлектростанции в зависимости от скорости ветра имеют вид, представленный на рис. 10.

На рис. 10 Vmin – минимальная или пусковая скорость ветра, Vн – номинальная расчетная скорость ветра для ВЭС с аэродинамическим регулированием и Vmax – максимальная буревая рабочая скорость ветра.

Аэродинамическое регулирование, осуществляемое чаще всего с использованием специального оперения ветроголовки или за счет изменения угла поворота лопастей ветродвигателя, обеспечивает ограничение генерируемой мощности и, соответственно, частоты вращения ВЭС на скоростях ветра в диапазоне Vн…Vmax. Энергоэффективность преобразования энергии ветра в электроэнергию, при этом, ухудшается.

В настоящее время получают распространение ВЭС без аэродинамического регулирования, которые в максимальной степени используют всю энергию ветра в рабочем диапазоне его скоростей. Частота вращения ветрогенератора, при этом, изменяется в большем диапазоне, Рис. 10. Мощностные характеристики ветроэлектростанции:

2 – без аэродинамического регулирования что накладывает соответствующие требования к прочности элементов конструкции ветродвигателя и генератора. Коэффициент использования энергии ветра и суммарный коэффициент полезного действия ветроагрегата в этом случае максимальны. Расчеты, подтвержденные практическими результатами, показывают, что работа ВЭС с переменной частотой вращения позволяет производить на 20…30 % электроэнергии больше, чем при работе с аэродинамической стабилизацией оборотов ветродвигателя [27].

В качестве генераторов в ветроэлектростанциях применяются как синхронные, так и асинхронные машины. В большинстве современных конструкций ВЭС небольшой мощности используются синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением [25]. Для повышения прочности вращающихся частей генератора и обеспечения его энергоэффективности при малых оборотах приводного ветродвигателя находят применение обращенные конструкции электрических машин: корпус с магнитами вращается вокруг неподвижного якоря. Обычно частота вращения агрегатов безредукторных ВЭС находится в диапазоне до нескольких сотен оборотов в минуту. Анализ режимов работы распространенных типов ВЭС мощностью 5…30 кВт [25] позволил установить, что диапазон изменения частоты вращения ветродвигателя изменяется в 3 и более раз, а развиваемая им мощность в 30…40 раз. Эти условия накладывают определенные требования к выбору параметров электромашинного генератора. Известно, что частота вращения автономного генератора является фактором, определяющим его мощность и массо-габаритные показатели. С увеличением частоты вращения происходит уменьшение относительного веса и габаритов, что удешевляет энергоустановку. Так же известно, что в электрических машинах происходит перераспределение потерь, определяющих их тепловой режим.