Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электроснабжение удаленных территорий 11
1.1 . Использование возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) в мировой экономике 11
1.2. Электроснабжение удаленных территорий России 14
1.2.1. Специфика энергосистемы России и ситуация в удаленных 14
территориях
1.2.2. Изолированные энергосистемы и использование ВИЭ в 16
России и СНГ
1.3. Необходимость в комплексном подходе 21
1.4. Локальные электроэнергетические системы для удаленных 23 территорий с широким использованием ВИЭ (ЛоЭС)
1.4.1. Состав задач 25
1.4.2. Принципы ЛоЭС 27
1.4.3. Технические средства и требования к ним 32
1.5. Выводы 35
Глава 2. Источники энергии и методы генерирования в ЛоЭС 37
2.1. Сравнительный анализ источников электроэнергии 37
2.2. Энергоисточники с ДВС в составе ЛоЭС 46
2.3. Базовый состав ЛоЭС 50
2.4. Специфика генерирования от бестопливных источников 52
2.4.1. Применение асинхронных генераторов (АГ) 58
2.4.2. Применение синхронных генераторов (СГ) 66
2.4.3. Особенности, преимущества и недостатки применения синхронных и асинхронных машин для ВЭС и ГЭС 69
2.4.4. Статические и электронные преобразователи электроэнергии 70
2.4.5. Интеграция бестопливных источников в локальные энергосистемы 73
2.5. Выводы 74
Глава 3. Ветроэнергетические установки ЛоЭС 77
3.1. Энергетическая аэрология 77
3.1.1. Методы измерения ветроэнергетического потенциала 77
3.1.2. Общая оценка ветроэнергетических ресурсов 82
3.1.3. Расчет ветрового потенциала в точках базирования ЛоЭС 90
3.1.4. Расчет мощности ВЭС 92
3.2. Техническая база ветроэнергетики 95
3.2.1. Типы ВЭС в составе ЛоЭС 97
3.2.2. Генерирование от ВЭС в локальных энергосистемах 100
3.3. Мобильная прибрежная ВЭС (МП ВЭС) 108
3.4. Выводы 111
Глава 4. Гидроэнергетические установки ЛоЭС 112
4.1. Деривационная мини-ГЭС с защищенным водозабором 113
4.2. Наплавная мини-ГЭС барабанного типа (НБ мини-ГЭС) 116
4.3. Мощность водяного потока. Оценка мощности 121 двигателя НБ мини-ГЭС
4.3.1. Индикаторная мощность потока 121
4.3.2. Идеальный двигатель 122
4.3.3. Классификация агрегата 127
4.3.4. Активная турбина с плоскими лопастями 129
4.4. Теория работы гидравлического двигателя НБ мини-ГЭС 133
4.4.1. Две разновидности математических моделей 133
4.4.2. Первая модель работы водяного колеса 135
4.4.3. Вторая модель работы водяного колеса 151
4.5. Расчет параметров барабанного модуля по моделям 1 и 2 163
4.5.1. Сопоставление результатов расчётов для моделей работы 164 колеса
4.5.2. Приближение конструкции агрегата к идеальному двигателю 166
4.6. Генерирование и преобразование электроэнергии НБ мини-ГЭС 168
4.6.1. Асинхронный генератор 168
4.6.2. Многополюсный синхронный генератор 169
4.7. Математическая модель работы СГ с постоянными магнитами на 175
управляемый выпрямитель напряжения
4.8. Экспериментальное исследование модели СГ с постоянными 186 магнитами
4.9. Работа НБ мини-ГЭС в составе ЛоЭС 192
4.10. Выводы: оценка реализаций мини-ГЭС для ЛоЭС 195
Глава 5. Совместная работа ЛоЭС 198
5.1. Специфика потребителей 198
5.2. Локальные сети 200
5.3. Компоновка ЛоЭС 203
5.4. Совместное генерирование ЛоЭС 208
5.5. Выводы 215 Глава 6. Эксплуатация и организация ЛоЭС 216
6.1. Эффективность технических средств 216
6.2. Область применения ЛоЭС 225
6.2.1. Общий подход к внедрению проектов ЛоЭС 227
6.2.2. Развитие локальной энергетики в Приморском крае 230
6.2.3. Локальная энергетика как подотрасль 232 Заключение 234 Список использованных источников
- Использование возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) в мировой экономике
- Сравнительный анализ источников электроэнергии
- Расчет ветрового потенциала в точках базирования ЛоЭС
- Деривационная мини-ГЭС с защищенным водозабором
Введение к работе
Данная диссертационная работа в области электроснабжения изолированных территорий и бестопливной энергетики имеет целью поиск новых рентабельных направлений развития производства, которые нашли бы применение в Дальневосточном Регионе, в России, в целом, и соответствовали уровню производственных структур, то есть - были исполнимы. Необходимость в научных исследованиях, как в техническом плане так и в области эффективности, очевидна вследствие отсутствия комплексной научно-практической оценки проектов данного рода в России. Работа носит в основном техническую направленность, так как без тщательного изучения и применения технических аспектов оценка конечного результата была бы невозможна. В работе оценены также перспективная область применения и параметры эффективности технических средств, так как одной из основных задач является подтверждение результатов для конкретных точек применения в виде, удобном и понятном, как для потенциальных инвесторов так и для административных структур.
Определены совокупность методов, решений, мероприятий и проектов, обеспечивающих электроснабжение удаленных территорий, не имеющих стабильных сетей, на приемлемой экономической основе, на базе широкого использования возобновляемых, бестопливных источников энергии (ВИЭ). Также частично решается проблема разгрузки и стабилизации слабых сетей, особенно, в их конечных точках. Работа открывает новые перспективы для развития социальной сферы и производства для удаленных территорий РФ. Проведены исследования и получены новые решения в области электроники, электротехники и энергетики; энергетической аэрологии, аэродинамики и ветроэнергетики; гидрологии, гидротехники и гидроэнергетики; тепловых источников энергии; экологии, экономики и организации - как комплексная разработка с учетом самых последних мировых достижений. По результатам исследований, применение локальных генерирующих мощностей с широким использованием
Причиной такого положения в локальной электроэнергетике является не только общая экономическая ситуация: на фоне проработок в области использования отдельных источников энергии, отсутствуют комплексные технические решения. Методики расчета себестоимости для крупных энергосистем здесь неприменимы. Вместо определения конкретных путей использования бестопливных источников, ведется научная полемика. Федеральные целевые программы в этой части не исполняются, частные инвесторы еще не рискуют делать долгосрочные вложения. Отсутствует подход, соединяющий воедино технические, экономические, финансовые, экологические и социальные аспекты - с тем, чтобы определить действительный эффект от внедрения того или иного проекта в конкретном населенном пункте, районе.
В научной литературе практически отсутствуют результаты исследований автономной и параллельной работы генераторных агрегатов, использующих ВИЭ и работающих при переменной частоте вращения. Известные из области судовой электротехники способы получения электроэнергии со стабильными значениями частоты и напряжения от генераторов переменой частоты основаны на применении устаревших статических преобразователей частоты и синхронных компенсаторов, запуск которых производится от асинхронных двигателей или от ДГ. В автономных ЭЭС удалённых территорий использовать подобное решение нецелесообразно. Для обслуживания дизеля необходимо дежурство квалифицированного специалиста, а обеспечение электромагнитной совместимости указанных преобразователей частоты с потребителями электроэнергии требует установки громоздких фильтров высших гармоник.
Таким образом, изолированные электроэнергетические системы являются актуальным объектом исследования. Предметом исследования должна служить совокупность вопросов, связанных с производством, преобразованием и распределением электроэнергии при широком использовании ВИЭ и современных силовых полупроводниковых преобразователей.
Объект исследований: электротехнические системы генерирования электрической энергии, рассматриваемые как самостоятельные технологические комплексы - локальные электроэнергетические системы (ЛоЭС).
Методы исследования. Использованы положения теоретической электротехники, электроники, гидроаэромеханики, математическое компьютерное моделирование механических и электротехнических систем в среде Maple 9.5.
При исследовании совокупных характеристик локальных энергосистем использован проектный подход, отражающий потребности конечного пользователя, в отличие от отраслевого подхода, основанного, в том числе, на аналогиях внедрения типичных генерирующих мощностей в рамках экономического поля страны, когда определялись общие принципы формирования отраслей и проектов, но не формировалась однозначная картина для конкретного заказчика. При определении эффективности производится дистанциирование от сметного подхода, используемого и поныне. Последний строился на определении совокупности затрат в последовательности: государство, отрасль, ведомства, пользователь - и был присущ плановой экономике. В данной работе, расчеты, проведенные для нескольких типичных по комплексу характеристик потребителей, после выявления их перспективности, являются основой для моделирования ситуации в конкретных районах и регионах. После этого делается вывод о применимости концепции как таковой, а далее - об области ее применения.
База для написания работы
1. Общее положение дел в электроснабжении удаленных территорий России, Приморского края, в частности.
2. Проведенные исследования в области метеорологии и гидрологии.
3. Уровень мирового производства ветроэнергии, энергии мини-ГЭС и др.
4. Контакты с европейскими и российскими производственными и управляющими структурами.
5. Определенная заинтересованность административных и производственных структур ДВФО как потенциальных потребителей.
6. Командировки в удаленные районы.
Терминология и стандартизация. В работе использованы стандарты:
- Единой Системы конструкторской документации: ГОСТ 19431 - 84, ГОСТ 18275 - 72, ГОСТ 27002 - 89, ГОСТ 24291 - 90, ГОСТ 8207 - 76, ГОСТ 29329 - 92, ГОСТ 23956 - 80, ГОСТ 27 471 - 87. ГОСТ 2601 - 95;
- в области нетрадиционной энергетики: ГОСТ Р 51237 - 98, ГОСТ Р 51594 - 2000, ГОСТ Р 51238 - 98, ГОСТ Р 51595 - 2000, ГОСТ Р 51596 - 2000, ГОСТ Р 50705-94 (МЭК 904 - 2 89), ГОСТ Р 51597- 2000.
- международные стандарты из рядов ISO 9001,9002,14000.
В тексте термины даны в соответствии со стандартами, а также терминологией производителей, если таковая существует. Приведен авторский смысловой перевод новейших английских технических терминов. Привнесенные термины и новые трактовки указаны особо.
Использование возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) в мировой экономике
Отношение к бестопливной энергетике, как и к электроснабжению, например, островных территорий в промышленно развитых странах было очень внимательным в последние десятилетия. Подход сильно отличался. Так в США роль государства традиционно невелика, по сравнению с Европой, где именно умелое госрегулирование позволило выйти в лидеры таким странам как Дания и Германия. Тем не менее, в США /10/ создана структура бестопливной энергетики, включающая как государственное регулирование, так и интерес частных инвесторов. Все это несмотря на то, что даже самые усовершенствованные схемы нового поколения на основе ВИЭ позволяли еще в 90-х годах 20-го века получать электроэнергию в среднем в полтора раза дороже, чем при сжигании наиболее экономичного ископаемого топлива, и вдвое дороже, чем в схемах с когенерацией тепла. В этом плане ситуация в США, по сравнению с Европой, представляет больший интерес.
В США ситуация еще недавно напоминала российскую /11/. Энергетический кризис на Западном побережье заметно обострил проблемы борьбы с загрязнением атмосферы: на многих действующих ТЭС были ослаблены ограничения, связанные с охраной окружающей среды, увеличилась выработка электроэнергии на старых ТЭС, ранее переведенных в разряд «пиковых». Так наметилась потребность в регулировании потребления ископаемого топлива и борьбы с загрязнениями. Еще в 70-е годы центр внимания федеральной политики в области энергетики сместился от вопросов регулирования цен и ассигнований к снижению потребления ископаемого топлива для решения проблем образования озона, кислотных дождей и изменения климата. Такой подход определен как эко энергетическое планирование (ЭЭП), показывающее, что вмешательство правительства в экономику энергетики необходимо, чтобы в максимальной степени обеспечить защиту окружающей среды и, в конечном счете, жизнеспособность населения.
Гидроэлектростанции утратили свои позиции из-за урона, который наносится окружающей среде: здесь требуются новые технические решения. Солнечная энергия, как и биомасса, рассматриваются в США только как побочные источники электроэнергии /12/. Упор делается на ВЭС. Общий объем инвестиций за 20 лет составил от $ 30 до 40 млрд. без учета значительных издержек частных компаний, связанных с внедрением стандартов энергоэффективности зданий и бытовой техники. Они превосходят по своему уровню программу создания стратегического резервного фонда нефти, а также совокупные затраты на программу разработки синтетических видов топлива, осуществлявшуюся в периоде 1974 по 1988 г. В настоящее время США демонстрируют стратегический эко-энергетический подход.
Государственное регулирование в Европе действует эффективнее, чем в США. Политическим системам европейских государств присуще несколько иное отношение к частной собственности: более высока роль и возможности государственного регулирования. Отсюда и впечатляющий результат даже по сравнению с такой мощной страной, как США.
Ранее единичная мощность ВЭС не превышала 25-30 кВт, приведенная цена производимой электроэнергии, несмотря на бесплатную энергию ветра, на порядок превосходила стоимость электроэнергии современных ТЭС и АЭС. Ситуация начала меняться в середине 80-х годов с освоением в Дании производства ВЭС единичной мощностью, измеряемой сотнями киловатт, и развитием в Дании, а затем также в Германии, Нидерландах программ строительства ветроэнергетических хозяйств, ветропарков из десятков, а иногда и сотен ВЭС. С тех пор, и особенно с 1995 года, ветроэнергетика стала одной из наиболее бурно и успешно развивающихся отраслей промышленности, сравнимой по динамике с развитием компьютерной техники. Общий оборот мирового рынка ВЭС в 2005 году превысил 4,2 миллиарда долларов. Единичная мощность серийных ВЭС составляет 1,5 - 3,0 МВт. Именно такие и более мощные ВЭС составляют основу ВП. Уже существующие, сооружаемые и проектируемые ВП имеют установленную мощность до 200 - 300 МВт, то есть соизмеримы по мощности с небольшой ТЭС.
Современная электроника позволяет использовать не только ВЭС, работающие на стабильные сети, но и автономные либо работающие на изолированный участок сетей. Это уже позволило создать в Дании усилиями национальной лаборатории RISO /14/ довольно децентрализованную и потому надежную энергетическую систему, практически независимую от неисправностей в общей системе.
Ветроэнергетика становится источником самой дешёвой электроэнергии. Ведущие страны планируют довести к 2020 году долю ветровой энергии в национальных энергобалансах: 50% - Дания, 30% - Германия. При этом Дания еще в 60-х годах приняла решение строить ВЭС вместо АЭС, а Германия планирует закрыть АЭС за счет ВЭС до 2030 г. К 2020 году ожидается, что доля ветроэнергетики уже превысит 1% мирового производства электроэнергии. Но эта цифра, конечно, не учитывает уровень развития отдельных стран. В настоящее время Дания и земля Шлезвиг-Гольдштейн в ФРГ покрывают 25% своей потребности в электроэнергии за счёт ВЭС. В 1994 году в странах ЕС установленная мощность солнечных батарей, мини-ГЭС и ВЭУ составляла 5,5 ГВт. К 2010 году предполагалось смонтировать оборудование с установленной мощностью 55 ГВт, но эта цифра будет достигнута уже в конце 2006 года.
Сравнительный анализ источников электроэнергии
Электроснабжение от стабильных сетей. Конечная стоимость электроэнергии в России постепенно приближается к общемировой по мере вхождения России в мировую экономику. В настоящее время, стоимость для населения в среднем по Приморью составляет более 95 коп (3,3 цента США). Для предприятий - 6 - 7 центов, для сельхозпроизводителей - 3,4 цента. Для сравнения, в США эти цифры: 6 центов для населения (в Калифорнии - 7) и 12 -17 центов для предприятий. С начала 2003 года цены на электро - и теплоэнергию возросли на 35 - 40 %. Стоимость 1 Гкал тепла - до 1000 рублей и выше. По мнению аналитиков, относительное выравнивание цен на электроэнергию в России с ценами в США и в Европе произойдет к 2007 - 2008 году. Это связано с тем, что неизбежен расчет приведенных затрат на генерирующие мощности по мировым стандартам с учетом полной амортизации генерирующего и транспортирующего парков (инвестиционная составляющая). Ожидается удвоение по сравнению с существующим, явно дотируемым, тарифом после проведения кардинальных реформ в РАО ЕЭС России /7, 16, 18, 62/. Хотя массовые государственные вливания в отрасль еще сохранятся некоторое время для обеспечения плавности перехода, интеграция России в мировую экономику и вступление в ВТО выставят довольно жесткие условия /63/.
Велики капитальные вложения в развитие сетей удаленных территорий. Например, прокладка высоковольтного (35 кВ) подводного фидера или надводной ЛЭП длиной в 8 - 10 километров примерно равна по стоимости ВЭС установленной мощностью 2 МВт. Также часто не учитывается тот факт, что потребителям в России иногда приходится выполнять функции, определенные для поставщика энергии, а также испытывать другие неудобства и неоднозначности.
Однако существенными достоинствами стабильных сетей, в любом случае, являются бесперебойное энергоснабжение, достаточная стабильность параметров и большой запас реактивной мощности, что будет востребовано любыми локальными источниками, работающими на эти сети. Также, себестоимость энергии от сетей, в любом случае, будет ниже, чем от любой локальной системы, использующей, даже частично, топливные источники ограниченной мощности.
Сжигание твердых бытовых отходов и отходов лесоразработок. Древесные отходы (ДО), по комплексу характеристик можно отнести к твердым бытовым отходам (ТБО), например, по калорийности - порядка 12500 кДж/кг. Доля дров в топливе в России - менее 1% /8/. Экономический потенциал лесной промышленности России довольно велик 111 и для ДВФО, в частности, представлен в табл. 2.1. Применяется более 10 технологий сжигания ТБО и ДО. Наиболее распространенные: сжигание на колосниковых решетках, в топке с псевдосжиженным (кипящим) слоем, пиролиз - высокотемпературное сжигание.
Первая - самая распространенная и устаревшая. Вторая широко используется. Обе эти технологии не обеспечивают утилизацию шлака и, особенно, летучей золы. Так же, при низкотемпературном (600 С) сжигании образуется в десятки раз больше диоксинов и фуранов, чем на заводах ПВС, где температура сжигания более 1000 С. Эти вещества образуются также при сжигании древесины, отходов, дизельного топлива, производстве целлюлозы.
Технология «Siemens» «Пиролиз-высокотемпературное сжигание» (ПВС) /31/ представляет собой новый подход. Первый завод построен в г. Вирте, Германия. Сначала шихта обрабатывается при невысокой температуре без доступа кислорода (низкотемпературный пиролиз). Одновременно с топливом подается негашеная известь-пыленка, которая связывает НС1, HF, S02 в дымовых газах. Присутствует многоступенчатая система очистки дымовых газов. Вращающиеся валки под колосниковой решеткой помогают интенсивной шуровке и одновременно перемещают топливо из одной зоны в другую до максимальных температур 950 - 1000 С. Технология сжигания довольно сложна и громоздка. Так, для растопки котла в Вирте используются четыре газовые горелки. Необходим мазут для интенсификации горения.
Перспективна переработка" древесной массы в жидкое и газообразное топливо с постоянными параметрами для возможности поддержания постоянной мощности газогенераторов (ГТ). В Бельгии создана малогабаритная установка для отопления объема до 200 м3. В Финляндии малые ГТ установки используют для снабжения горячей водой поселков. В США разработаны ГТ для использования в топочных устройствах производственных предприятий, прежде всего, связанных с переработкой древесины. Но стандартный ГГ, вырабатывая, например, около 50 кВт электроэнергии, оставляет 170 кВт тепловой энергии в уходящих газах. Теплотворная способность генераторного газа гораздо меньше, чем у угля, природного газа, тем более - нефти. Наиболее перспективна переработка в этанол (калорийность в шесть раз больше, чем у газа) и метанол (в 4,5 раза).
Расчет ветрового потенциала в точках базирования ЛоЭС
Проведены полные расчеты ветроэнергетического потенциала для прорабатываемых проектов ЛоЭС. Цели данных исследований: - проверить на практике методики расчетов, используемые в Европе; - сравнить расчеты для конкретных точек с ориентировочными данными, предполагаемыми поставщиками ВЭС для данных точек (включая среднегодовую выработку ВЭС); - определить на основании этих данных эффективность строительства ЛоЭС с использованием ВЭС в исследуемых точках; - выдать соответствующие рекомендации по использованию данных методик. В приведенных ниже таблицах использованы общепринятые обозначения: М -средняя, и - среднеквадратичная скорости ветра; Е - ветровая мощность. При этом, к = Fk {М21у?).
Город Владивосток показателен как аномальная зона /54,103/. Он находится во второй ветровой зоне по международной классификации при макроподходе, но скорость ветра в западной части соответствует пятой зоне. В административном подчинении города находятся острова Русский, Попова, Рейнеке и более мелкие (скалы). Для острова Попова, данные по которому представлены, параметр А составляет 12,04 м/с (табл. 3.7).
На рис. 3.5 и 3.6 представлены роза ветров и распределение Вейбулла для острова Попова. Большинство производителей ВЭС адаптируют ВЭС к коэффициенту, близкому к к = 2. Для каждой модели ВЭС, зная скоростной параметр места установки А и значение к, можно определить заранее, сколько электроэнергии ВЭС выработает за год - для прогнозирования прибыльности проекта. Параметр А вычисляется из результатов метеонаблюдений с использованием специальных таблиц и методик, которые предназначены для упрощения расчетов, чтобы не пользоваться каждый раз дифференциальным и интегральным исчислением. Это очень важная функция, так как по ней можно предварительно просчитать экономические показатели того или иного проекта. Однако при постоянном значении параметра А, но различных к, среднегодовая выработка ВЭС изменяется. Приводим данную зависимость, предоставленную автору компанией Neg-Micon, Дания (см. табл. ЗЛО), для плотности воздуха 1,225 кг/м-1 и параметра А = 11 (восточное побережье Приморья) для стандартной европейской ВЭС установленной мощностью 750 кВт /66/: Как видим, при одинаковых значениях параметра А среднеквадратичная скорость различна, а выработка растет с увеличением к. Например, для поселка Терней (пункт 4503661), расположенного на восточном побережье Приморского края, А = 4,2; к= 1,28 на стандартной высоте анемометра 11 м /10/, см. табл. 3.10.
При перерасчете на открытую площадку параметр А возрастет до 11, здесь возможна среднегодовая выработка европейской ВЭС последних моделей с высотой башни 50 м, расположенной на пологом холме высотой 100 м, - свыше 50% от установленной мощности или 3 млн. кВт-ч в год, что полностью достаточно для энергообеспечения 400 человек по европейским нормам /14/. Данные параметры довольно стабильны на большом протяжении вдоль побережья. Отметим, что при низких температурах и влажности порядка 90%, плотность воздуха может достигать 1,330 кг/м3, что дополнительно повышает выработку ВЭС. Рассчитанная выработка ВЭС для некоторых мест базирования ЛоЭС приведена в табл. 3.11.
Показатели для о. Попова и п. Амгу являются одними из высших для населенных районов, встречающихся в мировой ветроэнергетике. Для Дании г хорошим результатом является 35%. Для ЛоЭС «Красный Яр» данный параметр невысок, но в Европе ВЭС в таких условиях широко используются - результаты также подтверждены производителями. Таким образом, предлагаемые методики расчета ветропотенциала и среднегодовой выработки рекомендуются к применению как нетрудоемкие и довольно точные. С другой стороны, расчеты доказывают, что южная оконечность и восточное побережье Приморского края являются местами, очень привлекательными для развития ветроэнергетики.
В разделе использованы источники /8, 9, 12, 36, 14, 31, 118/ и данные производителей оборудования.
Имеются различные подходы к конструкциям ВЭС: как по типу, методам преобразования энергии, так и по мощностному ряду. Принципиальная простота ВЭС дает большой простор для конструкторского творчества. Однако далеко не все типы доведены до уровня коммерческой эксплуатации, как и не все образцы, находящиеся в коммерческом использовании, высокорентабельны.
Ветроагрегаты делятся, в основном, на две группы. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) - это основная компоновка ВЭС, t 91% рынка. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные) - они занимают 9% рынка. Существуют и довольно оригинальные устройства. Ветроагрегаты всех типов обнаруживали ранее ряд отрицательных явлений: затруднение приема телепередач и мощные звуковые колебания. Ветродвигатель на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвал многочисленные жалобы от телезрителей, в итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски громоотводы. ВЭС, построенная в 1980 году в городке Бун (США) /116/ мощностью 2000 киловатт, издавала достаточно мощный инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться. Все вышеупомянутые проблемы удачно разрешены в последнем десятилетии 20-го века.
Последние три десятилетия технология использования энергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевых ветроагрегатов, полностью конкурентоспособных по отношению к обычным источникам энергии. Существующие сети транспортируют электроэнергию ветропарков в различные регионы. Сетевые системы экономичнее за счет суточной и ситуационной перекачки избытков энергии. Однако с ними могут сравниться изолированные агрегаты, базирующиеся на паре «ВЭС плюс дизель». Такие системы прекрасно технологически отработаны в Европе, Австралии и США. В настоящее время идет внедрение систем «ветро-дизель» на рынках Юго-Восточной Азии. Например, маломощная станция в Форт Северн, Канада имеет мощность ветроагрегата кВт, мощность дизель-генератора от 85 до 195 кВт и мощность нагрузки от 50 до 150 кВт.
Деривационная мини-ГЭС с защищенным водозабором
В отличие от ВЭС, в России производятся достаточно отработанные гидроагрегаты (ГА) для использования в составе деривационных ГЭС, нет необходимости закупать оборудование зарубежного производства. Данные ГА имеют асинхронные генераторы прямого подключения к сети как с напряжением 380 В, так и 6 -10 кВ, 50 Гц.
Проанализированы гидрологические данные рек Приморского края: Бикин, Б. Уссурка, Уссури, Арму и др. Гидроагрегаты диагонального и ковшового типов отечественного производства требуют напоров до 40 - 50 м, которые не могут быть обеспечены без резкого повышения затрат на строительство плотин и нарушения экологии в бассейне реки. Для реализации деривационной мини-ГЭС предлагается гидроагрегат ГА-8 пропеллерного типа (см. табл. 4.1) /29/. Данный агрегат имеет также вариант с использованием генератора с выходным напряжением 6 кВ - нет необходимости в повышающем трансформаторе на межпоселковые линии. Возможно применение гидроагрегата ГА-1 для ГЭС меньшей мощности. - отсутствует современная автоматика и агрегаты требуют резистивных балластных нагрузок при малой нагрузке. Колебания частоты ± 5%, сглаживаемые стабильной сетью, неприемлемы для изолированных систем; - с точки зрения экологии, даже деривационный трубный канал не является безопасным: не предотвращен засос гидрофауны.
Первый недостаток устраняется путем установки современной автоматики, предназначенной для работы с асинхронными генераторами с короткозамкнутым ротором, установленными на данных гидроагрегатах (варианты 2 и 3, табл. 2.4). Данные схемы, с учетом достаточно стабильной частоты вращения турбины, здесь применимы. Также возможна замена генераторов на АГДП (см. главу 3).
Для устранения второго недостатка в рамках иследований предлагается деривационная ГЭС, которая, в соответствии с гидрологией исследованного участка, имеет водовод ориентировочной длиной 300 м при напоре 10 - 12 м. Эскизный чертеж предлагаемой мини-ГЭС показан на рис. 4.1.
Отличительной особенностью трубного деривационного канала диаметром 0,6 - 1,2 м является защищенный водозабор. Ограждение данного водозабора позволяет закрывать его в зимний период, что при открытом сбросе предотвращает размораживание канала и агрегата. Фильтрующий конус состоит из решеток с переменным размером ячеек, уменьшающимся по ходу потока. Таким образом, накопившийся мусор периодически сбрасывается по течению мимо водовода мини-ГЭС. Данный водозабор, расположенный к тому же с небольшим углублением по отношению к уровню поверхности воды в русле реки, предотвращает (наряду с сетками разной частоты) засос гидрофауны. Перед гидроагрегатом установлен демпфер, представляющий собой закрытый сверху воздушный резервуар, предназначенный для смягчения гидроударов, связанных с резким сбросом/набросом нагрузки потребителя.
Если мощность ГЭС рассчитана с учетом среднеминимального расхода открытого русла, не требуется регулирования стока путем создания дорогостоящего верхнего бассейна. Достаточно непересыхающей расходной
Для преодоления недостатков, присущих, как плотинным так и деривационным ГЭС, предлагается и исследуется наплавная мини-ГЭС для работы в составе ЛоЭС /1, 60,133 -136/, которая по комплексу решений является альтернативной существующим реализациям.
Наплавная ГЭС барабанного типа, НБ мини-ГЭС (Floating Drum Type MiniHydro Power Station, FD MiniHydro) - ГЭС, агрегат которой обладает положительной плавучестью и расположен непосредственно в русле. ГЭС, рабочим органом которой является лопастной барабан, совмещающий функции герметичного корпуса, рабочего органа (водяного колеса), поплавка, генератора и охладителя /патентные заявки РФ, 127 - 129/. НБ мини-ГЭС предназначена для преобразования энергии свободного потока воды (рек, сбросов ГЭС и других гидротехнических сооружений) в механическую энергию вращения барабана и дальнейшего генерирования электроэнергии.
Конструкция (рис. 4.2, 4.3) состоит из барабанного модуля (БМ) и берегового модуля. Барабанный модуль предназначен для преобразования энергии свободного потока воды в электрический ток, в нём также может помещаться минимум оборудования для управления мини-ГЭС.
На берегах устанавливаются бетонные основания - быки. Быки с лебедками и тросы предназначены для удержания и перемещения БМ. Один трос и бык -эвакуционно-страховочные. Длина тросов изменяется с помощью лебедок так, чтобы БМ был установлен в русле в рабочем положении. При этом продольная ось БМ располагается перпендикулярно направлению потока. Возможен вариант «архимедова винта», когда ось БМ направляется по потоку.
