Ветроэнергетика.Использование энергии ветра.Ветряная энергия

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) становится, судя по всему, глобальной тенденцией: в последнее время рынок установок на НВИЭ испытывает бурный рост во всем мире. С широкомасштабным развитием НВИЭ также связывают грядущее наступление эры водородной энергетики, ос­нованной на электролизе воды и не использующей топливные ре­сурсы планеты. Поэтому многие страны стимулируют использова­ние НВИЭ, а ведущие мировые энергокомпании, стремясь диверси­фицировать свой бизнес, вкладывают большие средства в развитие технологий НВИЭ.использование энергии ветра и воды использование энергии ветра и воды

В настоящее время в мире из НВИЭ наиболее высокими темпа­ми развивается использование энергии ветра:

установленная мощность ветро- электростанций (ВЭС) к началу 2005 г. превысила 47,5 ГВт. При­рост мощностей (ВЭС) достигает 24-27% в год, что составляет поч­ти 10 ГВт на более чем $10 млрд. Благодаря государственной под­держке стоимость ветроэнергии за последние 20 лет снизилась поч­ти на порядок — до 3-6 цент/кВт^ч ($8,3-16,7/ГДж). К сожалению, Россия не проявляет активности в данной области, хотя наиболее перспективные для развития ветроэнергетики районы расположены именно в РФ — это прибрежные районы Крайнего Севера и Даль­него Востока и другие территории. Здесь, во-первых, очень дорогое топливо (до 15-20 тыс. руб./т дизельного топлива или $12-17/ГДж), завозимое раз в год и, во-вторых, высокий ветроэнергетический по­тенциал, сезонные изменения величины которого происходят прак­тически синхронно с колебаниями энергопотребления, причем в этих районах энергия ветера является практически единственным доступным.

Энергия ветра для замещения топлива.

Однако эти районы характеризуются также тем, что здесь:использование энергии ветра и воды

—   энергосистемы локальные (небольшие), что предъявляет вы­сокие требования к стабильности мощности энергоисточников;

—    потребности в тепле в несколько раз превосходят потребно­сти в электроэнергии, что является основой для широкого примене­ния ТЭЦ, которые наиболее эффективны именно при дорогом топ­ливе;

—    суровый климат, трудности с доставкой запчастей и отсутст­вие квалифицированного персонала вынуждают применять наибо­лее простые (и, следовательно, наиболее надежные) схемы и конст­рукции использования энергии ветра.
использование энергии ветра и воды
Таким образом, обычная схема прямого включения ВЭС в сеть здесь неприемлема, поскольку:

—    выпадает наиболее топливоемкий сектор энергоснабжения — теплоснабжение;
использование энергии ветра и воды
—    нужно будет сложно и дорого решать проблемы качества ге­нерируемой ВЭС электроэнергии и резервирования мощности при том, что отработанной технологии ВЭС, в том числе поддержания необходимого качества производимой ими электроэнергии, в РФ нет. К тому же, параллельная работа ВЭС и ТЭЦ практически не­возможна ввиду низкой маневренности последних.использование энергии ветра и воды

В связи с этим представляется перспективным объединение энергии ветра и ТЭЦ в едином комплексе.

Предлагается, в отличие от зару­бежного опыта, не включать ВЭС непосредственно в сеть электро­энергетических систем (ЭЭС), а использовать электроэнергию ВЭС для прямого замещения топлива в тепловых циклах газотурбинных (парогазовых) установок — ГТУ(ПГУ): посредством электронагре­вателя (ТЭНа), установленного в тракте ГТУ перед камерой сгора­ния топлива (КС), подогревать воздух, поступающий в КС. Соот­ветственно снизится потребление топлива, изменением расхода ко­торого поддерживается заданная температура газов на входе в тур­бину.
использование энергии ветра и воды
Таким образом, посредством теплового цикла ГТУ(ПГУ) развя­зывается электрическая связь ВЭС с сетью, устраняется негативное влияние ВЭС на электроэнергетическую систему и, соответственно, исключаются проблемы обеспечения качества электроэнергии и оперативного резервирования мощности ВЭС в ЭЭС. Вместо ряда ветроэлектрических установок, включенных в энергосистему и снижающих ее устойчивость, появляется относительно крупная ТЭС, ее повышающая. За счет совместного использования теплофи­кации и энергии ветра схема ГТУ(ТЭЦ)+ВЭС может экономить до 40% топлива по сравнению с ветро-дизельной схемой раздельного энергоснабжения. Кроме того, появляется возможность снижения стоимости ВЭС за счет перехода на переменную частоту вращения ветроколес (без применения инверторов, т.е. без ненужного в дан­ном случае удорожания) и максимального упрощения электриче­ской схемы, системы управления и конструкции ВЭУ, так как в данном случае генераторы работают на активную нагрузку и требо­вания к качеству электроэнергии (в том числе по величине напря­жения) предельно низки. Поэтому экономическая эффективность использования энергии ветра по схеме ГТУ(ПГУ)+ВЭС для некото­рых районов достижима уже в настоящее время и будет возрастать с расширением зоны эффективности по мере удорожания топлива, а также совершенствования технологии ВЭС и увеличения масштабов их использования. Представляется целесообразным уже на началь­ном этапе наладить производство простых по конструкции отечест­венных, учитывая возможные масштабы их применения как в стра­не, так и за рубежом, а также невысокую стоимость рабочей силы и материалов в РФ.
использование энергии ветра и воды
Объединение ВЭС, ГТУ(ПГУ)-ТЭЦ и котельных на базе ло­кальных сетей нестабилизированной электроэнергии ВЭС дает воз­можность максимального вытеснения органического топлива в энергобалансах отдаленных районов за счет включения ветра в спектр используемых на ГТУ и котельных энергоресурсов. Ветер, как известно, второй после наружной температуры воздуха клима­тический параметр, определяющий объемы теплопотребления. Применение ВЭУ позволит компенсировать повышенные теплопо- тери, обеспечив именно в ветреные периоды пиковое поступление энергии на нужды отопления. Поскольку для этих районов харак­терны высокие среднегодовые скорости ветра (до 7-9 м/с), то с уче­том факта совпадения сезонных колебаний ветрового потенциала с изменениями энергопотребления такая схема может экономить бо­лее 50% годового расхода топлива на энергоснабжение.
использование энергии ветра и воды
Актуальность внедрения такой схемы возрастает в связи с при­нятыми Россией по Киотскому протоколу обязательствами по огра­ничению потребления топлива, а также существующей необходи­мостью замены в удаленных районах устаревших и изношенных ди­зельных электростанций и части котельных современными неболь­шими ГТУ-ТЭЦ, которые могли бы сразу комплектоваться ВЭС. ГТУ здесь более привлекательны для использования на ТЭЦ, чем дизельные двигатели, поскольку допускают большую свободу в вы­боре температурного графика тепловой сети. Причем из-за относи­тельно слабого влияния КПД ГТУ на топливную экономичность комплекса ГТУ(ПГУ)+ВЭС может быть целесообразен переход на пониженную температуру газа на входе в турбину ради повышения ресурса и надежности работы ГТУ. В течение всего срока эксплуа­тации ГТУ(ПГУ)+ВЭС морально не устареют относительно непре­рывно совершенствуемых чисто топливных ГТУ(ПГУ), так как здесь удельный расход топлива на производство электроэнергии всегда будет ниже: при необходимости для уменьшения расхода то­плива можно установить дополнительную современную ВЭУ. Так, например, 50%-ное замещение топлива электроэнергией ВЭС энер­гетически даже выгоднее, чем двукратное увеличение КПД ГТУ, поскольку при одинаковом расходе топлива в данном случае выше тепловая мощность ГТУ(ПГУ)-ТЭЦ и электрическая мощность ПГУ-ТЭЦ.

Возможно применение технологии и на паротурбинных ТЭЦ: как на паротурбинных установках (ПТУ) с водород-кислородными пароперегревателями (ВКПП) (рис. 3), так и с водород- кислородными парогенераторами (рис. 4). Возможна также работа ПТУ без применения ВКПП. Последняя схема наиболее проста, по­этому привлекательна для использования на начальном этапе ос­воения технологии. Например, мощность ТЭНов ПТУ в ПГУ (рис. 2) составляет всего несколько процентов от мощности ТЭНа ГТУ, поэтому можно рассчитывать на практически 100%-ную обес­печенность ТЭНов ПТУ в течение года электроэнергией от крупной ВЭС, предназначенной для работы на ТЭЦ и котельные. При этом возможно повышение КПД и упрощение тепловой схемы паротур­бинной части ПГУ.
использование энергии ветра и воды
Комплексы ГТУ (ПГУ, ПТУ)+ВЭС позволяют объединить дос­тижения традиционной энергетики (газотурбинная и парогазовая технологии, высокотемпературные ПТУ, теплофикация) и нетради­ционной (ВЭС), а не противопоставлять их друг другу, как это обычно происходит. При этом снимаются технологические ограни­чения на развитие ветроэнергетики: установленная мощность ВЭС может превосходить суммарную установленную мощность электро­станций и котельных в системах энергоснабжения. Таким образом, развитие ветроэнергетики становится независимым от ЭЭС, вла­дельцы ВЭС и операторы энергетических сетей не имеют точек со­прикосновения, а коммерческая эффективность ВЭС не зависит от ограничений, тарифов и режимов ЭЭС, и, следовательно, не требу­ется никаких специальных законопроектов, регламентирующих взаимоотношения ВЭС и ЭЭС. Благодаря локальному влиянию ВЭС при использовании схем ГТУ(ПГУ)+ВЭС существует возможность четко оценить реальные энергетический и экономический выигры­ши (или потери) от использования ВЭС, в то время как при прямом включении ВЭС в сеть, что чаще всего и практикуется, все пробле­мы применения ВЭС переносятся на энергосистему, при этом их влияние на экономичность ЭЭС в целом трудно оценить, и обычно оно никак не учитывается.использование энергии ветра и воды