Разработка проекта ветроэнергетической установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Что такое возобновляемая энергия?

Возрастающий интерес к энергетическим ресурсам связан с глобальным потеплением и последствиями парникового эффекта. Сегодня люди понимают, что запасы ископаемого топлива ограничены и его использование ведет к загрязнению окружающей среды: так, эмиссия диоксида углерода приводит к глобальному потеплению, а диоксид серы является причиной кислотных дождей. Если принимать это во внимание, то все более привлекательным становится использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относятся: солнечная радиация, энергия ветра, энергия рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах.

Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет; в последние 10. 15 лет бурно развивалось ее использование для производства электрической энергии. К настоящему времени в мире установлено более 20.000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра.

ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных батарей (АБ) и энергоснабжения различных объектов (дома, фермы и пр.) до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения.

1. Почему мы должны использовать возобновляемую энергию?

Возрастающий интерес к проблемам использования ВИЭ связан с увеличением до невиданных ранее масштабов потребления ископаемого топлива. В настоящее время понимание того, что запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды стало всеобщим. Выделение углекислого газа, приводящего к глобальному потеплению, в России достигло 16 т в год на одного жителя; в Европе. 12 т. Выделение двуокиси серы является причиной участившихся в последние десятилетия кислотных дождей. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. Если мы продолжим загрязнять атмосферу Земли прежними темпами, то это может привести к резкому изменению климата, к таянию ледников и, как следствие, повышению уровня океана, разрушению животной среды обитания и угрозе существования человечества.

В 1997 г. представители более чем 160 стран мира собрались в Киото (Япония) на третьей конференции ООН по проблемам изменения климата. По результатам конференции был подписан проект соглашения о сокращении промышленных выбросов газов, которые являются основной причиной глобального потепления.

В ближайшем будущем ожидается значительный рост использования ВИЭ. В настоящее время доля возобновляемой энергии в энергобалансе Европы составляет 5,4 %. К 2010 году планируется довести этот показатель до 12%

2. Разработка проекта строительства ВЭУ

Если Вы решили разработать проект строительства ВЭУ, очень полезно иметь "технологическую карту" и знать основные принципы. Одна из подобных схем, которой очень легко следовать, это диаграмма, разработанная Европейской Ветроэнергетической Ассоциацией (European Wind Energy Association) EWEA была основана в 1982 как профессиональная ассоциация лиц, принимающих участие в исследованиях и разработках в области ветроэнергетики. Она также является организацией, торгующей ветроэнергетической продукцией.

Основные положения и этапы разработки проекта строительства ВЭУ были определены EWEA при участии ряда организаций с целью обеспечения правильного и тщательного выполнения ветроэнергетического проекта. Однако эти положения носят общий характер и могут дать лишь приблизительное представление по этой теме. Поскольку разработка ветропроекта очень сложное предприятие, в каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход при проведении исследований.

Необходимо помнить, что основные положения относятся ко всем ветроэнергетическим проектам, а объем работ исполнителя и оценка влияния на окружающую среду будут зависеть от типа, размера и местоположения объекта.

Последовательность проведения работ при разработке проекта размещения ВЭУ содержит следующие семь основных этапов:

1. выбор местоположения ВЭУ;

2. технико-экономическая оценка проекта;

3. определение стоимости проекта;

4. проектирование;

5. строительство;

6. эксплуатация;

7. демонтаж и восстановление ландшафта.

Каждый этап требует рассмотрения следующих аспектов:

! технические и коммерческие;

! окружающая среда;

! диалог/консультации.

3. Устройство ветроэнергетической установки

Современные ВЭУ. это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого "активного" типа (карусельного типа, Савониуса и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от выше указанных ветроколес, использующих подъемную силу). Однако такие установки имеют очень низкий КПД (менее 20%), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

Основные компоненты установок обоих типов:

! ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором - обычно переменная;

! мультипликатор - промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

! башня (ее иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;

! основание (фундамент), предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.

4. Типы ветроустановок

4.1 Автономные системы энергоснабжения

Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий. Как правило, маломощные автономные ВЭУ генерируют постоянный ток для заряда АБ.

Система содержит инвертор для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 230 В. В настоящее время в России получили распространение такие ветроэнергетические установки мощностью до 0,5 кВт. Разработаны и используются опытные образцы ВЭУ мощностью 2,5; 5; 8 и 10 кВт. Более мощные системы, используемые, например, для электроснабжения нескольких объектов, обычно генерируют переменный ток.

В России имеется многолетний положительный опыт применения водоподъемных ветроустановок на пастбищах в степных или пустынных районах без использования АБ и резервных источников питания (бензиновых или дизельных электростанций).Приоритетным направлением развития ветроэнергетики в России на ближайшее время будет автономное использование малых и средних BЭУ в отдаленных регионах Крайнего Севера, т.к. там сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы страны, низкая плотность населения, отсутствуют крупные электрические сети и имеется около 17 тыс. малых населенных пунктов, где целесообразно использовать ВЭС для целей энергоснабжения. В 1996-1998 г.г. в Мурманской и Архангельской областях установлены первые автономные ВЭУ мощностью 10 кВт.

Очевидно, что ключевым фактором, определяющим выбор между применением автономной энергетической системы и проведением линий электропередачи (ЛЭП) от объекта к сетям централизованного энергоснабжения, является конкурентоспособность стоимостных характеристик ВЭУ в сравнении с подключением к сети.

4.2 Гибридная энергетическая система

Гибридная энергосистема подразумевает использование ВЭУ совместно с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули, микро-ГЭС и т.п.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду.

ветроэнергетическая установка энергоснабжение

4.2.1 Ветро-дизельные системы

Ветро-дизельная система состоит из ВЭУ и дизель-электрической системы (ДЭС) с оптимально подобранными мощностями. Обычно дизель-генератор используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является экономия дизельного топлива, стоимость которого с учетом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра. Режим одновременной параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе по мощности не должна превышать 15-20 % от мощности дизель-генератора. Такие режимы можно использовать для экономии топлива в гибридных установках большой мощности.

Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50-60% и более. Однако, в этом случае неизбежно усложнение системы за счет необходимости введения системы управления, инверторного оборудования и АБ, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ветроагрегатом при рабочих скоростях ветра для питания нагрузки в безветренную погоду или при небольших скоростях ветра. Всякий раз, когда это возможно, энергия получается за счет ВЭУ, а АБ непрерывно подзаряжаются. В периоды ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определенного уровня, для обеспечения потребителей энергией автоматически (или вручную) запускается дизель-генератор. Такой режим значительно снижает количество запусков дизель-генератора и, следовательно, ведет к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы. Ветро-дизельные системы рассматриваемого типа в настоящее время используются в Архангельской и Мурманской областях России.

Гибридные ветро-дизельные системы мощностью от 2 до 500 кВт различных конструкций и назначения в настоящее время испытываются, разрабатываются или планируются к реализации в рамках Федеральной программы "Энергоснабжение удаленных территорий Крайнего Севера РФ". Как правило, эти гибридные системы предназначены для надежного электроснабжения автономных потребителей с одновременной экономией жидкого топлива. Крупные гибридные электростанции должны работать на локальную сеть северных поселков.

Использование современной ветро-дизельной системы, при должном внимании к проведению текущего обслуживания, может быть экономически очень эффективным при наличии достаточных ветровых ресурсов в местности, где установлен ветроагрегат.

4.2.2 Ветро-солнечные системы

Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими батареями (ФБ). Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость ФБ, их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя.

4.2.3 Использование ветроустановок совместно с микро-ГЭС

ВЭУ могут использоваться в комбинации с микро-ГЭС, имеющими резервуар для воды. В таких системах при наличии ветра ветроагрегат питает нагрузку, а излишки энергии используются для закачивания воды с нижнего бьефа на верхний. В периоды ветрового затишья энергия вырабатывается микро-ГЭС. Подобные схемы особенно эффективны при малых ресурсах гидроэнергии.

4.3 Установки, подключенные к энергосетям

ВЭУ, подключенные к энергосетям, подразумевают связь с какой-либо существующей энергетической сетью, которая поставляет ветроустановке активную и реактивную мощность для обеспечения запуска, работы и контроля ветроагрегата. Это означает, что электроэнергия, выработанная ВЭУ, поступает непосредственно в сеть. ВЭУ начинают вырабатывать энергию при некоторой скорости ветра. обычно около 4 м/с для большинства современных установок. Ток возбуждения берется из сети и используется для синхронизации генератора ВЭУ. Это означает, что если сеть отключена, то ветроагрегат не может производить энергию.

Соединенные с сетью ВЭУ устанавливаются на территориях с хорошими ветроэнергетическими ресурсами для производства электроэнергии с целью продажи ее энергетическим компаниям. Группа таких турбин составляет так называемую "ветроферму".

Ветроферма. это комплекс ВЭУ, часто установленных рядами, которые перпендикулярны господствующему направлению ветра. При разработке такого проекта нужно учитывать наличие дорог для доступа к агрегатам, подстанции и мониторинговой и контрольной систем.

Обычно участок земли, отведенный под ветроферму, используется и на другие нужды, например сельскохозяйственные.

Обычно в ветрофермах используются крупные ветроагрегаты мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт и выше. При этом общая мощность ветрофермы может достигать десятков и сотен мегаватт. В штате Калифорния (США), например, за счет использования ветроферм производится столько электроэнергии, что ее хватает для удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как Сан-Франциско, в течение года. Этот тип систем становится все более популярным и в европейских странах, где, согласно Киотскому протоколу, поставлена цель снижения эмиссии парниковых газов.

Получение разрешения на строительство будет зависеть от характера, размера и местоположения предлагаемого ветроэнергетического объекта, а также взгляда на такого рода проекты организаций, уполномоченных давать разрешения. Ниже приведены факторы, так или иначе влияющие на решение о выдаче разрешения на строительство ВЭС.

4.4 Охраняемые природные территории

Охраняемые природные территории - специфическая область, предназначенная для сохранения природных комплексов или объектов, имеющих хозяйственное, научное или культурно-просветительское значение. Объектом охраны может быть природный ландшафт или редкие виды растений и животных. Для таких территорий характерен строгий надзор. В зависимости от причины выделения территории в природоохранную зону, может оказаться возможным строительство ВЭУ на этой территории, однако необходима тщательная экспертная оценка проекта.

4.5 Исторически и археологически значимые территории

На таких территориях необходимо тщательно продумывать строительство подъездных путей, чтобы минимизировать воздействие на исторические и археологические участки.

Визуальное влияние на ландшафт

Должно быть оценено визуальное влияние на ландшафт как ВЭУ, так и ЛЭП.

Экология

В некоторых случаях строительство ВЭС может привести к разрушению хрупких экосистем.

Информацию относительно мест обитания охраняемых видов флоры и фауны можно получить от местных организаций, выдающих разрешения на строительство, а также от организаций по охране окружающей среды.

Гидрология

Возможно, что в некоторых случаях возникнет необходимость оценки воздействия проекта на водные ресурсы той или иной территории. Причиной негативного влияния могут стать транспортные коммуникации и потребности в дренаже, что будет сказываться на качестве и количестве воды.

Шум

В некоторых странах, в частности в Великобритании, чтобы получить разрешение на строительство, необходимо оценить влияние проекта на уровень шума и предоставить отчет в местную организациюпо защите здоровья и окружающей среды.

ВЭУ производят два вида шума - от лопастей (свистящий звук) и механический шум от вращающихся элементов оборудования. Этот шум необходимо учитывать при строительстве ВЭУ, выдерживая определенные расстояния до жилых помещений.

Вмешательство в системы телекоммуникаций

Ветроагрегаты могут влиять на телевизионные и СВЧ сигналы. Проблем, касающихся СВЧ связи, обычно можно избежать путем изменения положения ВЭУ или СВЧ связи.

Безопасность самолетов

Ветроагрегаты могут быть потенциально опасны для самолетов. Такого рода проблемы характерны только для очень специфических территорий (вблизи аэродромов и пр.), где самолеты летают низко.

Оценка безопасности

Качественно изготовленные и должным образом обслуживаемые ветроагрегаты не несут в себе никакой опасности, но все же необходимо заручиться поддержкой местных организаций, отвечающих за здоровье и безопасность жителей и обслуживающего персонала.

Неудобства для движения транспорта

В краткосрочном аспекте возможно снижение скорости движения транспорта на местных магистралях из-за медленного движения грузовиков с оборудованием для ВЭУ. Неудобств может быть намного больше в случае реализации крупного ветроэнергетического проекта; это может потребовать изменения инфраструктуры и т.п.

Подключение к электросети

В данном руководстве рассматриваются в основном вопросы, касающиеся ВЭУ, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения, но если требуется такое подключение, то необходимо связаться с местными энергетиками. Если они согласны покупать электричество, необходимо соединить участок с подстанцией или провести ЛЭП.

Строительство такой сети также требует наличие разрешения на строительство и оценку воздействия на окружающую среду.

ЛЭП могут быть наземными или подземными. Поскольку наземные ЛЭП портят ландшафт, то в последнее время особой популярностью пользуются подземные электрокоммуникации.

Атмосферные выбросы

Хотя работа ВЭУ не оказывает прямого негативного воздействия на окружающую среду, косвенное влияние оказывает процесс сооружения ветроагрегатов на участке, производство и транспортировка материалов и оборудования. Это, однако, не является основной проблемой, так как экологический ущерб от ветроэнергетики неизмеримо меньше ущерба от использования ископаемых видов топлива для получения энергии.

Зоны туризма и отдыха

Развитие ветроэнергетики может оказывать существенное влияние на привлекательность той или иной территории для туризма и отдыха. Обычно это характерно для проектов строительства ветроферм, так как вид большого количества ветроагрегатов может как привлекать, так и отпугивать туристов. В этих случаях необходимо учитывать мнение общественности о такого рода проектах на этих территориях.

Социально-экономические вопросы

Ниже приводятся факторы возможного влияния ветроэнергетического проекта на экономику в краткосрочном периоде:

! производство (развитие производства ВЭУ или комплектующих);

! строительство (развитие инфраструктуры);

! другое (вложения в местную экономику, например, плата за проживание рабочих и т.д.); в долгосрочном периоде:

! текущий ремонт и техническое обслуживание (незначительны для небольших автономных ВЭУ);

! годовой доход по проекту;

! арендная плата за землю;

! налоги;

! страхование (владельцы могут захотеть получить страховку от непредвиденных обстоятельств).

Демонтаж

ВЭУ после окончания своего срока службы (около 20 лет) следует заменить на новую или отремонтировать, либо отправить на переработку в качестве отходов. Восстановительные мероприятия после окончания срока службы оборудования является одним из условий строительства ВЭС. В этой связи необходимо заранее выяснить, обретет ли использованный участок первоначальный вид естественным путем или же возникнет потребность в длительных восстановительных мероприятиях.

Размещено на Allbest.ru