Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Децентрализованное энергоснабжение с использованием ветроэлектростанций.
Малая плотность населения и слабая хозяйственная деятельность на значительных территориях России определяют автономный характер энергообеспечения потребителей. Практически единственным способом построения децентрализованных систем электроснабжения является использование дизельных электростанций (ДЭС). В качестве наиболее яркого примера децентрализованного энергообеспечения потребителей на громадных территориях можно привести Якутию, где 2,2 млн. км территории с населением 150 тыс. человек обеспечивается электроэнергией и теплом от 129 автономных дизельных электростанций. Обслуживанием этой децентрализованной зоны энергообеспечения занимается ОАО «Сахаэнерго.
Анализ состояния автономных систем энергоснабжения показал, что наиболее актуальными проблемами, стоящими перед малой энергетикой, являются: — ухудшение надежности функционирования автономных систем энергоснабжения, вызванное высоким износом энергетического оборудования и перебоями в доставке ТЭР (усредненный износ парка ДВС-электростанций составляет более 75%); — ограниченное использование местных топливно-энергетических ресурсов, в том числе нетрадиционных; — низкая эффективность производства, транспорта и потребления топливно-энергетических ресурсов; — высокая себестоимость вырабатываемой электрической энергии; — кадровое обеспечение; — защита окружающей среды при использовании энергетического оборудования.
Необходимость повышения технико-экономических характеристик децентрализованных систем электроснабжения определяет интерес к комбинированным, в частности ветро-дизельным энергоустановкам. Такие энергокомплексы универсальны в применении, имеют неплохие технико-экономические характеристики, обеспечивают надежное энергоснабжение различных автономных потребителей.
Энергетическая эффективность работы ветродизельных систем зависит от ряда факторов: ветрового режима, графика нагрузки децентрализованной системы электроснабжения, соотношения между установленными мощностями ветроэлектростанции (ВЭС) и дизельной электростанции (ДЭС), степени совершенства структуры энергетических установок автономной системы электроснабжения (АСЭС) и законов управления энергоисточниками, образующими энергокомплекс.
Очевидный вариант структурной схемы гибридного энергетического комплекса (ГЭК) показан на рисунке ниже.
Рис. 1. Структурная схема ветродизельной системы.
На рисунке показаны дизельная ДЭС и ветровая ВЭС электростанции, выпрямительно-инверторный преобразователь частоты (В — выпрямитель, И — автономный инвертор), распредустройство РУ и нагрузка Н. В зависимости от ветровых условий, ВЭС в энергокомплексе может использоваться как вспомогательный энергоисточник, если ветровой потенциал не достаточен для эффективного энергоснабжения потребителя. В этом случае ВЭС и ДЭС работают параллельно на общую нагрузку за исключением периодов безветрия и ураганов, когда ВЭС отключается. В диапазоне рабочих скоростей ветра от минимальной пусковой до расчетной ВЭС работает с переменной частотой вращения и постоянном числе модулей ветродвигателя, что обеспечивает выработку максимальной мощности. При увеличении скорости ветра вплоть до максимального значения, ВЭС работает в режиме постоянства мощности с переменным значением коэффициента использования ветра.
ДЭС, соответственно, дополняет недостающую часть мощности и энергии, необходимые для потребителя в соответствии с его графиком нагрузки и с конкретными ветровыми условиями. Соотношение мощностей ВЭС и ДЭС может быть различным при соблюдении очевидного условия: мощность ВЭС не должна превышать мощность ДЭС.
В зонах с большим ветровым потенциалом мощность ВЭС и ДЭС могут быть близки или равны. Кроме совместной работы на общую нагрузку, в этом режиме предусматривается возможность отключения ДЭС на периоды полного покрытия мощности нагрузки ветроэлектро станцией.
Вариант гибридного энергетического комплекса (ГЭК) с основным энергоисточником — ВЭС целесообразен для высокопотенциальных ветровых зон. Для этого варианта ГЭК мощность ДЭС может быть меньше чем ВЭС, а для создания запаса энергии целесообразно включение в схему аккумуляторной батареи (АБ) (см. рис. 2). АБ может входить в состав собственно ВЭС, а дизельная электростанция, вместе с ВЭС, обеспечивает необходимый уровень мощности нагрузки.
Рис. 2. Схема ГЭК с подзарядкой от дизельной электростанции.
В этом варианте ГЭК блок выпрямления переменного напряжения ветроэлектростанции приобретает дополнительные функции по обеспечению зарядки АБ, что отражено в его обозначении на схеме: В-3 (выпрямительно-зарядное устройство.
Рис. 3. ГЭК с основным энергоисточником — ВЭС.
Развитием рассматриваемой структуры гибридного ветро- дизельного энергетического комплекса является вариант с использованием двигателя внутреннего сгорания для подзарядки аккумуляторной батареи в периоды безветрия. В этом случае схема принимает вид, показанный на рис. 3.
Особенностью последнего варианта схемы является работа ДЭС на выпрямительную нагрузку, что позволяет отказаться от стабилизации частоты напряжения ДЭС.
Использование статических преобразователей частоты позволяет строить гибридные энергокомплексы, предусматривающие совместную работу ВЭС и ДЭС равной или близкой мощности (рис. 4.
Рис. 4. Вариант ГЭК, предусматривающий параллельную работу ВЭС и ДЭС.
В данном варианте ГЭК ветровая и дизельная станции работают в режимах переменной частоты вращения и, соответственно, переменной генерируемой мощности. Для ВЭС это позволяет реализовать режим максимального использования энергии ветра. Для ДЭС — возможность снижать частоту вращения агрегата с уменьшением необходимой генерируемой мощности, что позволяет снижать расход топлива.
Логика работы схемы строится на максимальном использовании энергии ветроэлектростанции с целью экономии топлива ДЭС, генерирующей недостающую мощность для обеспечения потребителей. Режим работы ДЭС с переменными оборотами более эффективен, поскольку не требует расхода топлива на поддержание постоянной частоты вращения дизель-генератора. Кроме экономии топлива, режим двигателя обеспечивает увеличение его ресурса.
Универсальным критерием энергоэффективности автономной системы электроснабжения, объединяющим энергоисточники различной физической природы, является полный КПД системы. КПД гибридного энергокомплекса определяется коэффициентами полезного действия элементов каждого канала генерирования и преобразования элек-троэнергии, которые, в свою очередь, определяются многими режимными и конструктивными факторами.
