Альтернативные источники энергии

Организация кустовой системы эксплуатации и комплексного группового обслуживания ветроустановок силами разъездных механиков сокращает удельные затраты живого труда, делает его более производительным и существенно повышает экономическую эффективность использования энергии ветра. Все эти факторы и условия являются решающими при определении сфер применения ветроэнергетических установок, если понимать под этими сферами области рационального и эффективного использования.

9. ПРИНЦИПЫ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЕТРОИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Принципиальные подходы к выбору критериев оценки эффективности применения ветроустановок определяются, прежде всего, целями, которые ставятся перед ветроиспользованием как направлением энергетики. Таких целей может быть несколько, и большинство из них взаимосвязаны. Главная цель заключается в том, чтобы за счет использования возобновляющихся источников энергии облегчить решение задач дальнейшего совершенствования топливно-энергетического комплекса страны. Это означает также, что применение ветроустановок и ВЭС должно сократить потребление дефицитного жидкого топлива, расходуемого стационарными двигателями внутреннего сгорания и в котельных агрегатах электростанций.

В то же время в сложившихся условиях ветроэнергетику следует рассматривать не с точки зрения оценки ее конкурентоспособности с традиционными способами энергоснабжения, а отводить ей роль важного или иногда вспомогательного направления, способного эффективно дополнять уже используемые энергетические средства и даже заменять их, прежде всего в так называемой малой энергетике. Это продиктовано необходимостью снизить затраты, высвободить обслуживающий персонал, в ряде случаев -- сократить сроки, необходимые для организации временного или постоянного снабжения энергией объекта, удаленного от промышленных центров и линий электропередачи. Естественно, что цели определяются характером объекта, его расположением и условиями функционирования.

В перспективе, по мере увеличения масштаба применения ветроустановок, все большее значение использование ветра будет приобретать в связи с тем, что он является экологически чистым источником энергии, утилизация которого не требует затрат на защиту от загрязнения окружающей природной среды.

Методика расчета технико-экономических показателей ветроустановок и оценка эффективности ветроиспользования имеют ряд особенностей, вызванных вероятностным характером изменения источника энергии и развиваемой ветродвигателем мощности, влиянием на эти показатели ветровых условий зоны, периода использования установок, емкости и типа аккумулирующих устройств, характеристик потребителя, а для насосных агрегатов - также дебита водоисточника. Методика базируется на основных принципах оценки эффективности новой техники. Применительно к ветроиспользованию учитываются суммарный энергетический эффект, достигаемый благодаря применению ветроустановки, и затраты, которые при этом необходимы. Энергетические и экономические показатели ветроустановки сравнивают с аналогичными данными по альтернативным вариантам энергоснабжения, сопоставляют с экономией топлива (в натуральном или стоимостном выражении) или оценивают экономический эффект у потребителя, если альтернативные варианты отсутствуют. В стоимостном выражении речь идет о соотношении затрат и выгод. Чем оно меньше, тем эффективнее энергетический агрегат.

Чтобы решить, целесообразно ли в конкретном случае использовать ветроэнергетическую установку, сравнивают ее экономические показатели с показателями других энергетических установок, которые могут быть применены в данных условиях, а для случая работы ВЭС в системах учитывают сокращение затрат на топливо и стоимость высвобождаемых мощностей обычных электростанций. Сопоставляя расчетные затраты по ряду возможных вариантов решения заданной энергетической задачи, т.е. рассматривая взаимозаменяемые альтернативные варианты, обеспечивающие одинаковое удовлетворение потребителя энергией, водой, переработанным продуктом, можно определить наиболее выгодный вариант и принять соответствующее решение. При сопоставлении показателей ВЭУ и неветровой энергоустановки желательно соблюсти также условие примерного равенства их расчетной и номинальной мощностей, так как от мощности зависит ряд удельных показателей агрегатов. Эффективность насосной установки, например, зависит от характеристик ветродвигателя и периода его использования, ветрового режима местности, водопотребления, глубины и дебита колодца, периода регулирования и заданной величины обеспеченности водоподачи. На экономические показатели использования установки влияют также система технического обслуживания, расположение объекта относительно ремонтной базы и центральной усадьбы хозяйства и ряд других факторов.

Чтобы принять объективное решение об экономических показателях и, как следствие, о целесообразности использования энергии ветра в конкретных зонах и условиях, необходимо выполнить комплекс энергобалансовых и технико-экономических расчетов.

Итак, государственная оценка может, в конечном счете, отличаться от рыночных цен, поскольку она зависит от более важных политико-экономических факторов. Так, например, определенная независимость государственной системы энергоснабжения представляет собой признанную цель экономической политики. Полому вполне можно себе представить, что производство энергии предприятиями, независимыми от импорта, как, например, ВЭС, будет оцениваться выше, чем производство, целиком зависящее от ввоза сырья, как, например, производство атомной энергии. Независимость в поставках энергии в этом случае рассматривается как чистая дополнительная прибыль. В смете расходов, составляемой предпринимателем, эта прибыль станет ощутимой, если государство распространит свои субсидии на те предприятия, которые вносят свой вклад в обеспечение независимости от импорта сырья. С точки зрения относительного использования различных возможностей производства точно такой же эффект может быть получен если другие предприятия будут обложены соответствующим налогом.

10. Проблемы, цели и перспективы

Наиболее широко ветроустановки по-прежнему будут применять в сельском хозяйстве для подъема и опреснения воды для питьевых нужд, а также ее откачки при вертикальном дренаже и на переувлажненных почвах, для зарядки аккумуляторных батарей, аэрации водоемов и других целей. К.А. Тимирязев указывал на невыгодность применения тепловых двигателей для подъема воды, писал, что в данном случае лучше всего использовать энергию ветра и Солнца. В этом он видел радиальное решение проблемы борьбы с засухой.

Достижение конечной цели зависит не только от того, насколько успешно будут решены научные и технические проблемы, но во многом от уровня управления процессом выполнения всех этапов программы, координации работ, концентрации усилий на главных направлениях, кооперации в ходе разработок и выпуска установок.

Выделяя два основных направления: создание и использование установок относительно небольшой мощности для автономных объектов и потребителей, и разработку, сооружение и эксплуатацию крупных ВЭС для использования в системах и совместно с тепловыми или гидравлическими электростанциями, -- следует отметить, что комплексы задач, стоящих на пути реализации этих направлений, существенно различны. Трудности первого направления связаны в основном с организацией выпуска, внедрения и эксплуатации, второго -- также с решением научных проблем.

В области создания и использования, крупных ВЭС сложные проблемы и задачи имеются во всех звеньях цепочки "исследование-разработка-опытная эксплуатация--внедрение--широкое практическое апробирование". Отчасти это связано с тем, что для прогнозирования режимов работы ВЭУ необходима полная и достоверная информация об изменениях скоростей ветра и нагрузки. Модели, описывающие работу ВЭУ, достаточно сложны, и чтобы получить однозначное решение, дающее прогноз работы ВЭУ, нужна однозначная информация о протекании в будущем таких процессов, как режимы ветра, распределение его скоростей по территории, график потребления энергии и др., которые являются стохастическими. Идеология перехода в моделях к использованию неполной (вероятностной) информации с целью решения оптимизационных задач по выбору параметров и характеристик ВЭУ и ВЭС требует новых подходов. Следует подчеркнуть, что корреляция между двумя значениями средних скоростей ветра за два соседних часа выше, чем между мощностью ВЭС за эти же периоды.

В пастбищном водоснабжении будут широко применяться полностью автоматизированные ветроагрегаты повышенной быстроходности мощностью от 1 до 3 кВт, а при наличии приколодезных участков, полив которых может дать хорошую прибавку урожая овощных и бахчевых культур, - также и агрегаты большей мощности (10-15 кВт).

Важной проблемой является создание установок с двигателями гибридного типа, сочетающими в себе положительные свойства тихоходных машин на пусковых режимах, а быстроходных-- в процессе работы при различных скоростях ветра.

Гораздо в более широких масштабах, чем в настоящее время, развернется эксплуатация опреснительных ветроустановок. С учетом особенностей ветра как энергетического источника можно прогнозировать применение в агрегате с быстроходными ветродвигателями опреснителей, в которых процессы обессоливания воды характеризуются малой инерционностью, устойчиво протекают в широком диапазоне изменения мощности энергетического агрегата, силы тока, а иногда и его напряжения, наконец, допускают перерывы в подаче энергии, исключая при этом возможность повышения содержания соли в воде. Этим требованиям наиболее полно отвечают установки, использующие методы обратного осмоса, парокомпрессии и вакуумной дистилляции. При мощности агрегатов 7--10 кВт они будут снабжены аккумуляторными батареями; для опреснительных установок, потребляющих мощность 20-25 кВт, придется использовать резервные двигатели. Работы, связанные с вертикальным дренажем, а в отдельных районах -- также с созданием наледей в зимний период, потребуют применения агрегатов мощностью до 100 кВт, преимущественно с электрическим приводом насосов.

Электрические ветроустановки малой мощности наряду с зарядкой аккумуляторов будут питать энергией маяки и бакены, защищать от коррозии газо- и нефтепроводы, обеспечивать работу радиорелейной аппаратуры в отдаленных и труднодоступных районах страны, в том числе в Арктике, на Кольском полуострове, во многих прибрежных зонах, на островах Дальнего Востока и Крайнего Севера, в Казахстане, в ряде пустынных и полупустынных районов. Эти же зоны характеризуются весьма благоприятными условиями, хозяйственной необходимостью и экономической целесообразностью использования ветроэлектрических станций.

Главной целью создания и использования более крупных ветроэлектрических установок и станций (2--3 Мвт в одном агрегате), работающих в энергосистемах параллельно с неветровыми электростанциями, является экономия жидкого топлива в тех случаях, когда участие ВЭС обеспечивает вследствие дороговизны топлива, больших расходов на его доставку снижение затрат на получение энергии. К таким районам можно, например, отнести о. Сахалин и Камчатку, где и ветровые режимы самые интенсивные в стране. При этом повышение устойчивости и равномерности подачи энергии в сеть будет достигаться размещением ВЭС на большой территории, поскольку скорости ветра в более отдаленных одна от другой точках отличаются сильнее.

При работе ВЭС и ГЭС появляется возможность экономить воду, если емкости водохранилищ соответственно рассчитаны на это. Совместная работа ВЭС в системе с гидроаккумулирующими электростанциями открывает неограниченные перспективы использования широкого диапазона скоростей ветра для работы насосов, перекачивающих воду на верхние отметки в периоды провалов графика нагрузки. Автономные ВЭС, работающие изолированно, получат, по-видимому, ограниченное распространение и только для питания энергией водоподъемных установок в дренажных, осушительных и оросительных системах. Мощность единичной установки в этом случае, вероятно, не превысит 100-250 кВт.

Масштабы развития ветроэлектроэнергетики путем строительства ВЭС зависят в первую очередь от того, как быстро удастся снизить стоимость производства и материалоемкость ветроустановок, повысить их надежность, расширить диапазон рабочих скоростей ветра. В решении этих задач важное место принадлежит применению железобетонных опор, неметаллических лопастей, легированных сталей и легких сплавов. Чтобы ВЭС стали выгоднее традиционных или альтернативных энергоустановок, удельные капиталовложения в их строительство нужно снизить не менее чем на 25-30%.

При решении этой проблемы существенную помощь может оказать нахождение методов совместной оптимизации следующих параметров ВЭС: минимальной рабочей и номинальной скоростей ветра, диаметра ветроколеса единичной ВЭУ, их числа в группе и установленной мощности генератора.

В техническом отношении совершенствование ветроагрегатов пойдет по пути увеличения коэффициента использования энергии ветра до 50 -- 52% (сейчас у лучших агрегатов коэффициент использования энергии ветра = 45%) за счет применения более эффективных аэродинамических профилей лопастей и лучшего качества их изготовления. Известны также решения, позволяющие снизить значения минимальных рабочих скоростей ветра, улучшить пусковые характеристики агрегата и, естественно, увеличить время его работы. Положительную роль будет играть дальнейшая автоматизация ветроустановок.

Из научно-технических задач, решение которых может существенно повлиять на эффективность ветроэнергетических установок, наиболее важными являются:

1. Создание безрегуляторных двигателей, обладающих свойством саморегулирования. Это может быть достигнуто применением соответствующих аэродинамических профилей для лопастей ВЭУ, работающих в системах, или использованием тормозящего эффекта, создаваемого воздушными струями, выбрасываемыми из каналов.

2. Разработка ВЭУ с ветроколесами большого диаметра, в которых энергия генераторам отдается с помощью так называемой аэродинамической передачи.

3. Создание всережимных генераторов, работающих с высоким КПД в широком диапазоне изменения W и обеспечивающих при этом малую величину изменения частоты тока путем автоматического включения или отключения числа пар полюсов. Последние включаются и выключаются в зависимости от частоты вращения ветроколеса.

4. Проектирование быстроходных беспоршневых компрессоров с пологой характеристикой КПД в функции W и с малым начальным моментом сопротивления и создание на этой основе системы пневматической передачи мощности рабочим машинам. Одним из решений может быть применение мембранных компрессоров.

5. Создание безредукторных ВЭУ сверхвысокой быстроходности, ветроколеса которых имели бы устройства для автоматического увеличении начального момента в период пуска и ограничения максимального момента и скорости вращения при буревых усилениях ветра.

6. Нахождение методов, способов и устройств, снижающих величину V₀ и обеспечивающих увеличение коэффициента использования энергии ветра до уровня, близкого к его идеальному значению (0,85-0,9).

Реализация многих их этих возможностей и направлений зависит также от решения проблемы аккумулирования. Одна из главных и сложных задач - найти новые, эффективные методы запасания больших количеств энергии в относительно простых и недорогих устройствах.

Решение этих практических задач и проблем требует расширения масштабов научных исследований и разработок, четкой координации работ, широкого привлечения к их выполнению смежных отраслей и специалистов различных направлений.

Одна из возможных организационных структур выполнения НИОКР и работ по внедрению показана на схеме рис. 10.7. В условиях интенсивного расширения масштабов исследований и разработок, международного сотрудничества в области использования ВИЗ перестраивается система информационного обслуживания нужд проблемы и материально-технического обеспечения долговременной программы. Прогнозные оценки показывают, что из 12--13 млн. т. условного топлива, которые к 1990 г. ежегодно предполагается экономить в мире за счет использования ВИЗ, примерно 25--30% даст ветроэнергетика. По оценкам акад. А.П. Александрова, к концу века ВИЗ обеспечат 4--5% энергетических потребностей страны, а в южных республиках - до 20%.

В заключении хочется заметить, что ветроэнергетика - это перспективная отрасль, пик развития которой придется на то время когда традиционные источники энергии будут подходить к концу. Конечно ветроэнергетика должна применятся в комплексе с другими видами энергопроизводящих установок, так как производство энергии на ветроустановках непостоянно, а зависит от природных условий. Использование данного вида ресурсов ограниченно в пространстве, так как размещение объектов ветроэнергетики экономически целесообразно лишь на ограниченной территории.

Список использованной литературы

Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. М., 1982 г.

Шефтер Я.И. Использование энергии ветра.

Свен Уделл. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. М., "Прогресс", 1980 г.

Энергия ветра. Под ред. Шефтера Я.И.

Сидоров В.И. Кузнецов М.В. Об использовании ветроэнергетических ресурсов. "Известия АН СССР", серия "Энергетика и транспорт", №3 1980 г.

Баранчиков Е.В. Проблемы и перспективы использования альтернативных источников энергии в зоне Российского Севера. (Диссертационная работа) М., 1998 г.

Jarrass L., Hoffmann L. Windenergie: Eine systemanalytishe Bewertung des technischen und wirtschaftlichen Potentials fur die Stormerzeugung der Bundesrespublik Deuchland. Berlin, 1980. 272 стр.

Размещено на Allbest.ru