Приливные электростанции (ПЭС)

 

Приливная электростанция (ПЭС) преобразует энергию морских приливов в электрическую. Технологическая схема ПЭС показана на рис. 2.25. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды по время прилива и отлива. Перекрыв плотиной залив и образовав водоем (его называют бассейном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (> 4 м) создать на пор, достаточный для вращения гидрогенераторов, размещенных в теле плотины. На ПЭС используют обратимые турбины, позволяющие работать как при приливе, заполняя бассейн, так и при отливе, сбрасывая накопленную воду через турбины в море (океан). При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4…5 ч. с перерывами соответственно 2…1 ч. четырежды за сутки.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напо­ра, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана доста­точно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор и все детали турбины заключены в водонепроницаемую кап­сулу, и весь гидроагрегат погружен в воду (см. рис. 2.23).

Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно от­личаются от ГЭС тем, что их работа определяется косми­ческими явлениями и не зависит от многочисленных по­годных условий, определяемых случайными факторами.

Наиболее существенный недостаток ПЭС — неравно­мерность их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отлича­ющихся от солнечных, не позволяет систематически ис­пользовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность ра­боты ПЭС, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда име­ется избыточная мощность ПЭС, ГАЭС работает в насос­ном режиме, потребляя эту мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов в работе ПЭС в генераторном режиме работает ГАЭС, выдавая электро­энергию в систему. В техническом отношении такой проект удачен, но дорог, так как требуется большая установленная мощность электрических машин.

Также удачно ПЭС может сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. При совместной работе ГЭС увеличивает мощность при спаде мощности ПЭС и ее ос­тановке; в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранили­ще. Таким образом, можно уменьшить как суточную, так и сезонную неравномерность работы ПЭС.

Крупная ПЭС мощностью 240 МВт работает во Франции. В России в настоящее время работает экспериментальная ПЭС на Кольском полуострове мощностью 400 кВт. Выполнены проекты Тугурской ПЭС и Пенжинской ПЭС на Охотском море, энергия которых может быть передана в энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС, энергию которой предполагается направить в Западную Европу по объединенной энергосистеме «Восток-Запад».

 

Ветровые электростанции

 

Энергия ветра использовалась человеком с древнейших времен. Она отличается своей доступностью и дешевизной. Ее годовые потенциальные запасы на Земле огромны. Они в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара и составляют примерно 3300∙10¹² кВт∙ч. в год. Правда, считается возможным прак­тически использовать лишь около 5% этих запасов. Но и это очень много.

Преобразование энергии ветра в электрическую энергию осуществляется с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ). Одним из основных компонентов ВЭУ является ветродвигатель, преобразующий кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращающейся ветровой турбины (ветрового колеса). Следует отметить, что ветровые турбины могут использовать только часть кинетической энергии ветра. В 1919 г. немецкий физик Альберт Бец показал, что гипотетический идеальный ветродвигатель может получить не более 59,3% кинетической энергии ветра (закон Беца). На практике современные ветровые турбины могут получить от 70 до 80% этого теоретического предела.

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Наиболее широкое распространение получили ветродвигатели первого типа. Они используют крыльчатые роторы, показанные на рис. 2,26 а, б. Аэродинамический КПД крыльчатого ротора слабо зависит от числа лопастей. Так, с увеличением этого числа с двух до трех КПД повышается всего на 3%, а дальнейшее увеличение числа лопастей дает минимальный прирост КПД. Поэтому на практике применяются роторы с двумя или тремя лопастями, причем чаще используют трехлопастные роторы, так как они создают меньше шума.

В состав ВЭУ с горизонтально осевым ветродвигателем входят установленная на фундаменте башня, на вершине которой располагается гондола с ветровым ротором, внутри которой находится редуктор для повышения числа оборотов вала и генератор. Кроме этого, гондола должна оборудоваться системой ориентации, чтобы поддерживать плоскость вращения ротора перпендикулярной направлению ветра. Диаметр ветрового ротора и высота башни определяются мощностью ВЭУ. С увеличением диаметра ротора уменьшается скорость его вращения, так как при этом возрастает линейная скорость конечных точек лопастей. Оптимальное соотношение линейной скорости концов лопастей к скорости ветра находится в пределах 6…7. Маломощные ВЭУ имеют диаметр ротора от 3 до 9 м, а скорость его вращения в пределах 200…500 об./мин. Диаметр ротора ВЭУ большой мощности (6 МВт) достигает 124 м, а скорость его вращения составляет 13…15 об./мин. Высота башни мощной ВЭУ достигает 75 м.

В качестве ротора вертикально-осевого ветродвигателя ранее использовался ротор Савониуса (рис. 2,26 в), использующий силу давления ветра. Однако такие ВЭУ имеют очень низкий КПД (менее 20%), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

В 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье был предложен ротор, крылья которого имели профиль, аналогичный профилю крыла самолета (рис. 2.27). На каждое из крыльев, движущихся относительно потока, действует подъёмная сила, величина которой зависит от угла между вектором скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъёмная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент, развиваемый ротором, также является переменным. Поскольку для возникновения подъёмной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трёх и более лопастей.

Работа ротора Дарье не зависит от направления потока. Следовательно, турбина на его основе не требует устройства ориентации. Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока и высоким коэффициентом использования энергии потока: площадь, ометаемая крыльями ротора, может быть выполнена достаточно большой.

К недостаткам ротора Дарье относится плохой самозапуск, низкая механическая прочность, повышенный шум, создаваемый при работе.

Определим мощность ВЭУ в функции скорости ветра и площади, ометаемой ротором. Кинетическая энергия E (Дж) воздушного потока со средней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение S (м²) равно

,

где m — масса воздуха (кг). Если в качестве m взять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха, в ваттах:

P _возд. = 0,5ρ v ³ S.

Секундная масса воздуха определяется по формуле

m = ρ vS,

где ρ — плотность воздуха, принимаемая обычно равной 1,226 кг/м³, что соответствует нормальным климатическим условиям.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне рабочих скоростей ветра на высоте башни и диаметре ротора D мощность ВЭУ рассчитывается по формуле:

P _ВЭУ = P _возд. S η_р η_г ζ∙10^–3, кВт,

где S = π D ²/4 — ометаемая площадь ВЭУ, м²; η_р ≈ 0,9 — КПД ротора; η_г ≈ 0,95 — КПД генератора; ζ — коэффициент мощности, который учитывает долю мощности, получаемую ветродвигателем, от мощности воздушного потока (в практических расчетах ζ = 0,45).

После подстановки всех значений получим формулу для ориентировочных расчетов:

P _ВЭУ = 1,85 D ² v ³.

Для ВЭУ малой мощности минимальная скорость ветра, при которой установка начинает работать составляет 2,5…4 м/с, а скорость ветра, обеспечивающая номинальную мощность — 8…10 м/с. Для мощных ВЭУ эти значения составляют 4…5 и 12…15 м/с соответственно. Предельно допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Выбор типа генератора ВЭУ определяется ее мощностью и условиями работы. Маломощные автономные установки, например, для электроснабжения жилого дома обычно используют генератор постоянного тока, работающий на аккумуляторную батарею. В батарее запасается энергия, используемая в период отсутствия ветра. Такая ВЭУ должна иметь инвертор, преобразующий постоянный ток от батареи в переменный ток требуемого напряжения и частоты. В состав подобных ВЭУ во многих случаях входит дизель-генератор в качестве резервного источника энергии во время длительных периодов безветрия.

Мощные ВЭУ, работающие на сеть переменного тока, используют генераторы переменного тока. В прошлом, большинство ВЭУ функционировали при постоянной угловой скорости независимо от скорости ветра, и их генераторы были непосредственно подсоединены к электрической сети. Генераторы, используемые в таких установках, были асинхронными с короткозамкнутой обмоткой или фазным ротором. Дополнительные конденсаторные батареи использовались для компенсации потребления реактивной мощности. Преимущество таких ВЭУ состояло в том, что они были просты и надежны и, следовательно, относительно дешевы.

Основными недостатками были неконтролируемое потребление реактивной мощности, сниженный КПД для скоростей ветра, отличных от номинальной скорости, высокое механическое напряжение, передача колебаний скорости ветра в электрическую сеть. Выходная мощность таких турбин регулировалась двумя способами.

Первый способ заключается в повороте лопасти относительно направления ветра. При этом изменяется так называемый «угол атаки», то есть угол, под которым ветер набегает на лопасть и от которого зависит «подъемная» сила лопасти, которая преобразуется в ее вращение. ВЭУ с поворотом лопастей можно использовать для регулирования мощности как в зависимости от скорости ветра, так и по заданию диспетчера.

Второй способ заключается в том, что профиль лопасти выполняется различным по длине. В результате при увеличении скорости ветра на отдельных частях лопасти наступает срыв потока и ее «подъемная» сила уменьшается. Таким образом, при скорости ветра выше номинальной удается держать мощность ВЭУ, равную номинальной. В ВЭУ такого типа принудительно регулировать мощность нельзя. И это их недостаток. Но их достоинство состоит в том, что не нужен сложный механизм поворота лопастей. Тем не менее, практически во всех мощных ВЭУ используется первый способ.

В последнее десятилетие наиболее распространенным типом ВЭУ стали установки с регулируемой скоростью. Они позволяют достигать оптимальной выходной мощности в широком диапазоне скоростей ветра путем настройки частоты вращения при изменении входной скорости ветра. Генераторы таких установок присоединяются к сети с помощью преобразователя частоты. При этом частота генератора не связана с частотой сети, что позволяет осуществить регулирование скорости.

В настоящее время используются две основные концепции для ВЭУ с регулируемой скоростью: первая — регулирование скорости ВЭУ при помощи асинхронного генератора с двойным питанием (АГДП), и вторая – регулирование скорости ВЭУ при помощи синхронного генератора (СГ) с непосредственной передачей вращения. Обе эти концепции используют управление углом атаки для ограничения выходной мощности.

На рис. 2.28а представлена структурная схема ВЭУ на основе асинхронного генератора двойного питания. Асинхронный генератор имеет фазный ротор с токосъемными кольцами. Трехфазная обмотка статора генератора подключается к сети непосредственно или через трансформатор. Цепь ротора подключена к сети через преобразователь частоты. Изменение частоты тока в цепи ротора позволяет в определенных пределах изменять скорость ротора, в то время как частота тока в цепи статора остается постоянной. Большинство таких ВЭУ содержат редуктор, который позволяет соединить тихоходный вал ВЭУ с быстроходным валом генератора.

На рис. 2.28б представлена структурная схема ВЭУ на основе синхронного генератора (СГ) с непосредственной передачей вращения. Здесь генератор обычно непосредственно связан с турбиной и редуктор в цепи привода отсутствует. Статор генератора подключен к сети через преобразователь частоты. При изменении скорости турбины изменяется частота напряжения генератора. Поэтому напряжение генератора сначала выпрямляется с помощью выпрямителя, а затем преобразуется с помощью инвертора в переменное напряжение частотой 50 Гц. Может применяться как синхронный генератор с постоянными магнитами, так и синхронный генератор, имеющий многофазный ротор с большим числом пар полюсов. В последнем случае генератор способен работать при низких скоростях и не содержать редуктор, а непосредственно присоединяться к валу воздушного ротора.

Ветроэлектрические электростанции (ВЭС), называемые также ветропарками, состоят из большого числа ВЭУ в одном месте. Они строятся как на суше, так и на воде (оффшорные ВЭС). Для обоих этих типов станций очень важно рассчитать расстояние между установками. ВЭУ получают энергию ветра и уменьшают скорость ветра за ротором, а также образовывают турбулентный воздушный поток. Если ВЭУ работают в одном направлении воздушного потока, вторая турбина будет получать уменьшенную скорость ветра и будет работать неоптимально из-за поступающей турбулентности ветра, вызванной первой турбиной. Установлено, что турбулентность уменьшается в достаточной мере при расстоянии, более чем в 15 раз превышающем соответствующий диаметр ротора. Таким образом, пространство, занимаемое ВЭС, должно быть постоянно большим.

Ветроэлектростанции не потребляют топлива, не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнер­гетика экологически абсолютно чиста. Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только из­менят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории.

Для устранения влияния непостоянства ветровой энергии мно­го усилий направляется на изыскание способов ее резервирова­ния, в частности использование аккумулирования. В последнее время предложено множество разнообразных аккумуляторов энергии, в том числе устройств для электролиза воды. Получае­мые кислород и водород хранятся под давлением в изолирован­ных резервуарах и при необходимости могут быть использованы (например, в топливных элементах). Известны также механические, пневматические, электрохи­мические, тепловые, гидравлические и другие аккумуляторы. Рассматриваются перспективы совместной работы ВЭС, ГЭС и ГАЭС.

Мировая ветроэнергетика быстро развивается. На конец 2010 года общая мощность ветростанций в мире превысила 194, 4 ГВт, а число установок составило 160 тыс. в 50 странах мира. Наибольшей установленной мощностью ВЭУ располагают Китай (42287 МВт), США (40180 МВт), Германия (27214 МВт), Испания (20676 МВт), Индия (13065 МВт). Россия существенно отстает в этом направлении. В настоящее время Россия имеет ничтожную по сравнению с мировыми лидерами суммарную установленную мощность ВЭС — около 15 МВт, что составляет примерно 0,007% от всех ее электрогенерирующих мощностей.

Проектируемые Ленинградская (75 МВт) и Балтийская (50 МВт) ВЭС смогли бы повысить вклад ВЭС в общую электрическую мощность России примерно до 0,07%.

Разрабатывается проект строительства парка ВЭУ мощностью 1 ГВт на нижней Волге. Предполагается ввести в эксплуатацию 50 ВЭУ в Калмыкии.

По оценкам экспертов суммарный установленная мощность ВЭУ в России может составить к 2020 г. 7 ГВт.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: