Энергосбережение и нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Рисунок 1-Годовая роза ветров.

 

Особо важным для пропеллерных ветроагрегатов являются такие параметры ветра, как частота смены направления, скорость изменения направления, длительность случая существования ветра в  одном направлении, поскольку  плоскость вращения ветроколеса должна быть перпендикулярна направлению ветра в каждый момент времени. Это определяет тяговое усилие лопастей и в конечном итоге мощность ветроагрегата и выработку энергии.  

При отклонении угла встречи потока с плоскостью вращения ветроколеса пропеллерных  ветроагрегатов от 90º мощность их уменьшается вплоть до 0.

Влияние соответствия  угла установки ветроколеса «на ветер» может быть учтено  введением  в формулу,  определяющего мощность ветроколеса,    параметра «коэффициент использования направления» (КИН) – , изменяющегося от 1 до 0, где υ - угол между плоскостью вращения  ветроколеса и вектором скорости набегающего потока воздуха, а также «коэффициента использования направления» z, характеризующего изменчивость направления ветра во времени с размерностью º/С.

 кВт

где  F – площадь ветровоспринимающей поверхности.

Параметр z и функция  определяют необходимость автоматизации  ВЭС для установки «на ветер», создания  быстродействующих систем  слежения за направлением ветра и оборудования  ветроагрегатов  различными устройствами ориентации ветроколеса на ветер.

При изменении скорости ветра происходит изменение частоты вращения ветроколеса  и связанного с ним ротора электрогенератора, что, в свою очередь, приводит к изменению  ЭДС генератора и частоты вырабатываемого  тока. Поддержание постоянной частоты вращения обеспечивается регулированием углов установки всех лопастей. Изменения скорости ветра в пределах окружности ветроколеса учитывается сложным  профилированием  лопастей, разделением их на участки и управлением каждым участком отдельно.  Все это приводит к усложнению конструкции ветроагрегатов и используется только в мощных установках.

Воздух, а в особенности ветер, содержит в зависимости от погодных условий пары воды, в виде облаков  и туч, капли воды, снежинки в метель и частицы золы, соли и почвы – солевые и песчаные бури.

Присутствие этих включений, очевидно, не меняет общей картины воздушных  течений и скоростных характеристик  ветра, но влияет на его энергетические показатели.

Переменные газы – водяной пар, двуокись углерода, озон и другие газы. Плотность воздуха при нормальных условиях 1,2928 кг/м³ может меняться с высотой над уровнем и при изменении погодных условий.

Максимальное количество водяного пара, которое может содержаться  в воздухе при атмосферном  давлении, зависит от температуры: чем выше температура, тем при большем содержании водяного пара G происходит насыщение. Это видно из приведенных данных в таблице 1. 

 

 

 

Таблица 1

Т,°С	-20	-10	0	10	20	30
G, г/м3	1,1	2,4	4,7	9,4	17,3	30,4

 

В связи с этим необходимо создание таких  ветроагрегатов, которые  бы воспринимали и полезно преобразовывали в механическую энергию вращения не только подъемную силу и динамический напор ветра  в соответствии с его скоростью и плотностью.  

Это во многом определило перспективность  создание агрегатов с вертикальной осью вращения, способных воспринимать и эффективно превращать в электричество  энергию ветра любой силы  любого направления, любой плотности без каких – либо настроечных операций. 

Необходимо научиться  эффективно и выгодно использовать энергию ветра.           

 

4 Лекция № 4. Ветроэнергетика, состояние и тенденции развития

 

Содержание лекции:

Ветроэнергетика в мире и потенциал использования энергии ветра в Казахстане.

Цели лекции: 

– показать состояние и тенденции  развития энергетики в мире, темпы роста установленной мощности ветроэнергетических агрегатов и участия их в энергетическом балансе стран, уяснить концепцию развития ветроэнергетики и перспективы ее в республике Казахстан. 

Ветроэнергетические ресурсы Земли  неиссякаемы и носят глобальный характер. Ветроэнергетические ресурсы не добываются. Они проявляются в большей или меньшей степени на различных широтах. Сильные ураганы, где скорость ветра в порывах достигает 45 – 60 м/с, сопровождающиеся ливнями и затоплениями больших территорий, свидетельствуют об изменении климата и увеличении в составе атмосферы конденсируемой части продуктов сгорания углеводородного топлива - водяного пара и переноса ее воздушными течениями по планете. 

В решении проблем сохранения климата  Земли важнейшая роль принадлежит ветроэнергетике, каждый киловатт час которой предотвращает сжигание 320 – 350 г. угля.

Для выработки электроэнергии ветер  используется с 10 – 20 годов ХХ века, к ХХ1 столетию ветроэнергетика приобрела  заметное развитие и продолжает развиваться высокими темпами. Ветроэнергетика является наиболее динамично развивающимся коммерческим видом использования возобновляемых, точнее, неисчерпаемых энергетических ресурсов земли. В настоящее время установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС)  в мире  составляет более 80 000 МВт, или 1,8% мировой генерирующей мощности.  Происходит постоянный прирост мощности ВЭС до 20-30% в год. Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:

- неисчерпаемый  ресурс энергии, не имеющий цены;

- отсутствие выбросов вредных  веществ и парниковых газов  при производстве электрической  энергии;

- конкурентная стоимость вырабатываемой  электроэнергии; 

- развитый мировой рынок ветроэнергетических  установок; 

- короткие сроки строительства  ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке;

- возможность децентрализованного  обеспечения электроэнергией потребителей  отдаленных районов.

Сегодня более 70 стран мира имеют  ВЭС в структуре электроэнергетики.  Лидерами по установленной мощности ВЭС являются: Германия, Испания, США, Индия и Дания. Ряд других стран, включая Италию, Англию, Китай Японию, Португалию, Испанию  имеют мощности ВЭС более 1000 МВт каждая.

Предполагается, что уже к 2013г  установленная мощность ВЭС в  мире составит около 150 000 МВт. 

Успешно развивается ветроэнергетика для индивидуальных и коллективных потребителей энергии. Так, в США объем продаж малых ветроустановок мощностью от сотен Вт до десятков кВт достигает 17 МВт в год. В ряде стран, например, в Германии, имеется возможность продажи электроэнергии от небольших ветроустановок в общую сеть и, таким образом, получения дохода.

Ветроэнергетика рассматривается  не только как источник  энергии. Она обеспечивает социально-экономическое развитие, поддерживает энергетическую безопасность и снижает зависимость экономик от цен на топливо, создает рабочие места и  создает возможности сокращения  выбросов парниковых газов.

Для успешного развития ветроэнергетики  в Казахстане создаются политическая, законодательная и организационная  поддержка со стороны государства. Для обеспечения этого разработана Концепция Национальной Программы развития ветроэнергетики Республики Казахстан.

Основанием  для разработки Национальной Программы  являются: 

-  Постановление Правительства № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики»; 

- Проектный  Документ совместного проекта  Правительства Казахстана и Программы  развития ООН «Казахстан - инициатива  развития рынка ветроэнергетики», подписанный в 2004г.

Основной  целью Национальной Программы развития ветроэнергетики является использование значительного ветрового потенциала Казахстана в  производстве электроэнергии для обеспечения устойчивого социального и экономического развития страны на основе сохранения  окружающей среды и невозобновляемых запасов органического топлива и во исполнение международных обязательств Республики Казахстан по Рамочной Конвенции ООН по изменению климата,   Законов РК «О Энергосбережении», «Об электроэнергетике», Государственной Программы развития электроэнергетики до 2030г, Программы развития единой электроэнергетической системы РК на период  до   2010 и на перспективу до 2015г, Стратегии индустриально- инновационного развития Казахстана до 2015г.

Перспективы развития ветроэнергетики в Казахстане определяются  тем, что  порядка 20% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 6м/С и выше, что создает  хорошие предпосылки для его использования.  Стоимость электроэнергии от ВЭС в таких местах может составлять порядка 4-6 ц/кВт.ч с учетом инвестиционных затрат и, будет сопоставима со стоимостью электроэнергии на розничном рынке.  

На  основе вышесказанного основными мотивами развития ветроэнергетики в Казахстане являются: а) сокращение дефицита электроэнергии и поддержка энергетической независимости; б) децентрализация, улучшение надежности и экономичности электроснабжения за счет использования местных источников энергии; в) сохранение запасов органического топлива и сокращение энергоемкости экономики; г) улучшение экологии и снижение выбросов парниковых газов; д) создание новой высокотехнологичной отрасли в энергетике, рабочих мест и улучшение социального положения населения. 

Оценка  ветроэнергетических ресурсов  Казахстана

Потенциал ветровой энергии Казахстана во много  раз превышает современное потребление  электроэнергии. По некоторым оценкам он составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны, как показано на приведенной ниже карте на рисунке 2.  

 

Рисунок 2 – Потенциал ветровой активности Казахстана 

 

При обосновании  возможности строительства  крупных ВЭС в том или ином районе используются метеоданные, показанные на вышеприведенной карте. С их помощью оценивается возможное годовое производство электроэнергии в конкретном месте, а также уточняются места детальных исследований ветровых течений.

По  международным стандартам данные об энергетическом потенциале ветра получают с помощью мачт высотой 30-45 метров, на которых установлены соответствующие приборы – анемометры для измерения скорости ветра, флюгеры для определения направления, термометры и приборы для измерения влажности ветра. Получаемые в течении как минимум одного года данные с использованием спутниковых систем передаются в центр сбора информации, обрабатываются по специальным методикам и выдаются в виде энергетического потенциала ветра и розы ветров.. Такие измерения были выполнены в Джунгарских воротах и  Шелекском коридоре, где среднегодовая скорость ветра составила порядка 7,5м/с и 5,8 м/с с  энергетическим потенциалами 525 Вт/м2  и 240 Вт/м2, соответственно. Удельная выработка электроэнергии одним киловаттом установленной мощности ветроагрегата в этих местах может составить 4400 кВт.ч/кВт. и 3200кВт.ч/кВт в год. В настоящее время в разных точках Казахстана в эксплуатации находится 8 метеомачт. Для демонстрации перспектив развития ветроэнергетики и строительства крупных ВЭС подготовлен перечень из 25 перспективных площадок в разных регионах. Они определены на основании многолетних данных метеостанций о среднегодовой скорости ветра, а также с учетом  следующих факторов:

- близость  линий электропередач и подстанций  для выдачи мощности от ВЭС;

- наличие  местных электроприемников (потребителей) от новых энергоисточников;

- удобство  рельефа для размещения  агрегатов большой мощности -700 ÷2500 кВт;

- наличие  транспортных коммуникаций. 

 

Таблица 2 - Перечень перспективных площадок для строительства ВЭС

Наименование площадки	Область	Средне годовая скорость ветра по метео данным, м/с	Средняя скорость ветра по мировому атласу на  выс.50 м	Рекомендуемая мощность ВЭС, МВт	Ожидаемая выработка эл.энергии, 1000кВт.ч/  кВт мощности
Северная зона
1 Жарминская	ВКО	5,6	6	40,0	2,0
2 Ерейментау	Акмолинская	5,4	7,7	35,0 (20)	3,3
3 Селетинская	Акмолинская	5,9	5,8	40,0 (20)	1,7
4 Степногорск	Акмолинская	5,2	7	не определена	2,8
5 Балхаш	Карагандинская	4,4	5,9	10,0	1,8
6 Егиндыбулак	Карагандинская		7,7	не определена	3,2
7 Каркаралинск	Карагандинская	4,3	7,7	не определена	3,2
8 Улытау	Карагандинская		8,3	не определена	3,6
9 Аркалык	Кустанайская	5,7	6,2	10,0	2,1
Западная зона
1 Сакрыл	ЗКО	5,2	6	10,0	2,0
2 Атырау	Атыраусская	4,4	7,3	40,0	2,9
3 Атырау Каработан	Атыраусская		7,7	не определена	3,2
4 Аккистау	Атыраусская	5,5	6	50,0 (20)	2,0
5 Индер	Атыраусская	5,4	6	20,0	2,0
6 Прорва	Атыраусская	6,2	7	40,0 (20)	2,8
7 Форт-Шевченко	Мангыстаусская	6,0	8,2	40 (20)	3,6
8 Сай-Утёс	Мангыстаусская		7,8	не определена	3,7
Южная зона
1 Курдай	Жамбыльская	5,1	6,2	20,0 (10)	2,1
2 Аральск	Кызылординская	4,9	5,2	10,0	1,1
3 Кармакчинская	Кызылординская	5,5	5,2	20,0 (5)	1,1
4 Чаян	ЮКО	5,0	5,8	40,0 (20)	1,7
5 Састобе	ЮКО		8,5	не определена	3,9
6 Джунгарские ворота	Алматинская область		9,7	50	3,9
7 Шелекский коридор	Алматинская область		7,7	100	2,9