Анализ эффективного развития ветровой электроэнергетики в Республике Казахстан

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Положительные перспективы развития человечества в значительной степени связаны с обеспеченностью его энергией. Эти энергетические потребности с каждым годом растут из-за динамичного развития промышленности, необходимости улучшения производственных и бытовых условий жизни людей, быстро развивающейся мировой транспортной системы, необходимости выравнивания факторов эффективности развития экономики, социально-экономических условий производства и быта населения, находящегося в альтернативных климатических условиях, а также для защиты человечества от внутренних и внешних угроз.

Термин возобновляемые источники энергии (ВИЭ) подразумевает источники энергии, которые имеют, прежде всего, неисчерпаемый лимит и могут использоваться без какого либо ущерба для экономики в течение ближайших 1000 лет.

К возобновляемым источникам энергии относятся солнечная энергия и ее производные: энергия ветра, энергия приливов и отливов. К возобновляемым источникам энергии относят также геотермальное тепло, в основе которой использование тепла недр Земли, низкопотенциальное тепло окружающей среды, а также некоторые источники энергии, связанные с жизнедеятельностью человека (тепловые «отходы» жилища, органические отходы промышленных и сельскохозяйственных производств, бытовые отходы и т.п.).

Актуальность проблемы заключается в том, что использование традиционных источников энергии невозможно длительное время и может закончиться, по прогнозам ученых, ближайшие 100-200 лет при существующих темпах энергопотребления. Ухудшающаяся с каждым годом экологическая обстановка во всем мире также не способствует увеличению затрат угля и нефти как источников энергии. Проблема энергетики есть еще и в том, что количество людей на планете не уменьшается, а количество автоматизированной техники увеличивается с каждым годом.

Также существует тенденция перекочевки населения из села в город. При этом люди, переехавшие жить в город, начинаю обзаводиться всякой автоматизированной техникой (стиральные машины, пылесосы и т. д.), что приводит к увеличению энергопотребления на душу населения. Вводимые ограничения по энергопотреблению (100 кВт на человека) со стороны энергоснабжающих компаний не приводит к уменьшению потребления электроэнергии, а позволяет лишь сбалансировать график электрических нагрузок на подстанции.

Научная новизна дипломной работы состоит в исследовании и обосновании новых ветровых технологий

Практическая значимость работы состоит решении энергетических, экологических и социально - экономических проблем Казахстана.

Оценка современного состояния решаемой проблемы.

Энергетика в ее сегодняшнем состоянии использует в основном невозобновляемые источники энергии, такие как уголь или нефть, запасы которых ограничены на нашей планете. Такое развитие электроэнергетики оказывает отрицательное влияние на окружающую среду как антропогенный фактор, кроме того, перспективы развития электроэнергетики весьма и весьма расплывчаты и туманны.

Возобновляемые источники энергии имеют большой потенциал развития, поскольку запасы недр нашей планеты уменьшаются с каждым годом, а энергопотребление, наоборот, увеличивается.

Количество людей на планете также неизменно увеличивается, а, следовательно, человечество будет требовать все новых и новых запасов источников энергии. Но увеличение производства электроэнергии будет приводить ко все большему потреблению угля и нефти и ухудшающейся экологической ситуации на планете. Использование же возобновляемых источников энергии не несет такого большого вреда экологии и не уменьшает запас этих источников с течением времени.

Вместе с тем технологии производства и использования возобновляемых источников энергии развиваются с каждым годом и носят международный характер. Многие страны мира стремятся все больше использовать нетрадиционные возобновляемые источники энергии, производство элементов возобновляемых источников поставлено на коммерческую основу и широко внедряется во многих технологических процессах

Цель дипломной работы - обосновать предложения по эффективному развитию ветровой электроэнергетики в Республики Казахстан.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи работы:

1) Провести анализ состояние развития теории и практики мировой ветроэнергетики.

2) Исследовать европейский рынок ветровой энергетики и прогнозы ожидаемых темпов её развития.

3) Анализ рациональных вариантов схем электрических соединений ветропарков.

4) Исследовать принципы работы ветроустановок и классификацию ветротурбин.

5) Анализ проекта Правительства Казахстана и программы развития ООН «Казахстан-инициатива развития рынка ветроэнергетики» г.Аркалык Костанайской области.

6) Обосновать предложения по развитию ветровой электроэнергетики в Казахстане (для выбранного объекта исследования) и оценить их экономическую эффективность.

Основным объектом исследования является энергетическая система Республики Казахстан.

Предмет исследования: теория и практика преобразования энергии ветра в электрическую энергию при помощи ветрогенераторов.

В процессе выполнения дипломной работы использовались следующие основные методы исследований: аналитический, статистический, расчётный, монографический, исторический



1. МИРОВАЯ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

1.1 Состояние и мировые перспективы развития ветровой энергетики

Ветроэнергетика на сегодняшний день является самой быстрорастущей отраслью среди альтернативных источников энергии. За последние двадцать лет эта область превратилась из экзотического явления в стремительно развивающееся направление, где разработаны более эффективные и надежные технологии, стоимость которых за десять лет снизилась почти вдвое, что позволило наладить их коммерческое производство.

Современная ветровая турбина способна производить электричества в 180 раз больше, чем 20 лет назад, а стоимость оборудования на единицу продукции (кВт/ч) за эти годы упала более чем вдвое.

Если в 2001 году размер инвестиций в развитие ветровой энергетики составлял примерно 765 долларов на 1 кВт, а, следовательно, 3,6 центов за 1 кВт/час. Тогда 2010 году предполагается, что объем вложений снизится до 550 долл. США на 1 кВт, и тогда стоимость электричества будет составлять 2,6 центов за 1 кВт/час [2].

Согласно данным Международного энергетического агентства, затраты на установку ветровых электростанций составляет в среднем 1250 долл. США за кВт, таким образом, по сравнению с двадцатилетней давностью стоимость ветровой энергии снизилась с 0,8 долл. США за кВт/ч до 0,04. Благодаря быстро развивающимся технологиям и повышению производительности общая стоимость ветровой энергии продолжает снижаться.

Более того, формирование ветровой энергетики как самостоятельной отрасли положительным образом сказывается на экономическом развитии современного общества. Совет по ветровой энергии оценил уровень занятости в секторе ветровой энергетики в объеме примерно 350 000 человек.

Ветроэнергетический бизнес вызывает серьезный интерес у внешних инвесторов. Так, в 2002 году производитель ветротурбин компания «Enron Wind» была куплена подразделением «General Electric» - одной из крупнейших корпораций в мире. В 2004 году «Siemens» поглотил датского производителя «Bonus Energy». В секторе распределения электроэнергии несколько крупных компаний стали собственниками ветропарков. К ним относятся компании «Florida Power and Light» в США и «Iberdrola» в Испании, каждая из которых является владельцем ветропарков мощностью более 3 500 МВт.

Значимым является и решение ряда нефтяных компаний осуществлять финансовые вложения в ветровую энергетику. Например, подразделение по возобновляемым источникам энергии компании «Shell» уже инвестировало в строительство 850 МВт ветровых мощностей (в основном в США). Эти процессы свидетельствуют о том, что ветровая энергетика становится ведущим направлением на энергетическом рынке. Энергетический потенциал ветра в настоящее время используется более чем в 70 странах мира. Если в 2001 году общая установленная мощность ветровых станций составляла 24 320 МВт, то в конце 2007 года она увеличилась почти в 4 раза, достигнув 93 000 МВт.

С 2002 года мощность энергии, вырабатываемой ветром, стабильно увеличивается в среднем на четверть. Этот рост обоснован, преимущественно, тем, что в таких крупных державах, как США, Испания и Китай, где рынок ветровой энергии уже сформировался, вводятся новые дополнительные мощности. Самая крупная в мире ветровая электростанция «Стейтлайн» расположена именно на территории США, в штатах Орегон и Вашингтон, ее общая мощность составляет 300 МВт.

Как видно из нижеследующей диаграммы (в соответствии с рисунком 1), лидирующие позиции на рынке ветровой энергии по совокупной установленной мощности на сегодняшний день занимает Европа.



Рисунок 1. Географическое распределение рынка ветроэнергетики, 2007 г.

Среди стран в 2007 году установленная мощность ветряного электрооборудования самого высокого показателя достигла в Германии - 22,247 МВт, затем следуют США - 16,819 МВт, Испания - 15,145 МВт, Индия - 7,850 МВт, Китай - 5,899 МВт и Дания - 3,125 МВт. Общая добавленная мощность ветряного оборудования в 2007 году составила приблизительно 19,696 МВт, из них 43,6% были введены в Европе [3].

По странам в тройку лидеров по наращенным мощностям в области ветроэнергетики входят США, Испания и Китай. В Германии и Индии ввод новых мощностей по сравнению с 2006 г. снизился, а Дания в течение последних двух лет вообще не добавляла мощностей. Общая стоимость нового оборудования, установленного в прошлом году, составила 36 млрд. долларов.

В области проведения научных исследований и усовершенствования технологий, лидирующие позиции также занимают Европа и Северная Америка. Однако в последнее время в этом направлении активно работают такие развивающиеся страны, как Китай, Индия и Бразилия. Стоит заметить, что на азиатском рынке ветровой энергетики на сегодняшний день наблюдается тенденция к стремительному росту, чему способствуют проведение постоянных исследований и государственная поддержка.

В 2007 году общая мировая установленная мощность ветровой энергетики составляла 93,849 МВт, из которых 98,5% было установлено в прибрежной зоне. В 2007 году мировая мощность береговых ветростанций увеличилась на 26,8 %. 61 % установленной мощности береговых электростанций в прошлом году был сосредоточен на территории Европы. По странам тройку лидеров по установленным мощностям береговых ветростанций за тот же период представляли Германия, США и Испания. В Азии и Тихоокеанском регионе береговая ветровая энергетика наиболее быстрыми темпами росла в Китае, где установленная мощность возросла примерно в 1,3 раза. В десятку стран по величине мощностей береговых ветровых станций также входят Индия, Дания, Франция, Великобритания, Италия и Португалия.

Наиболее подходящими местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны, поэтому оффшорные (морские) ветряные электростанции на сегодняшний день можно назвать перспективной отраслью ветроэнергетики. Сейчас это направление в основном развивается в Европе и США. В мировом масштабе подобные сооружения пока не распространены в силу своей высокой капиталоемкости, недостаточного уровня разработки, отсутствия квалифицированного персонала, нехватки соответствующих вспомогательных служб (например, плавучие краны), конкуренции за место с другими пользователями морских ресурсов и прочих нерешенных вопросов. Тем не менее, морской ветер обладает значительным энергетическим потенциалом, что требует динамичного развития соответствующих технологий. В последнее время в данном направлении наблюдается существенный прогресс, разработаны проекты крупномасштабных ветростанций, которые смогут работать в морях и океанах. Однако результаты развития ветропарков морского базирования будут ощутимее, если данное направление получит поддержку со стороны морской нефтегазовой отрасли, энергетической сферы, поставщиков сервисных услуг и других смежных областей. Благоприятное воздействие на распространение ветровых станций в открытом море окажут также партнерские отношения между различными странами в целях создания совместных проектов.

Возможность установки ветротурбин в море открыла новые горизонты для ветровой энергетики, особенно в северной части Европы, для которой характерно относительное мелководье прибрежных акваторий и наличие спроса на осуществление более масштабных проектов по сравнению с проектами на суше. По состоянию на 2011 год европейская морская ветровая отрасль включала 25 действующих станций общей мощностью около 1100 МВт, установленные в пяти странах - Дании, Великобритании, Нидерландах, Швеции и Ирландии. Сооружение этих электростанций потребовало вложений в размере 2,1 млрд. долларов, общее количество турбин, которыми оборудованы упомянутые ветропарки, составляет 440 штук. [3].

До настоящего времени серийное производство морских ветровых систем не налажено. Сектор находится на стадии развития и больше использует крупные специализированные компоненты, чем стандартные механизмы, выпуск которых необходимо наладить для того, чтобы снизить себестоимость полученной энергии до минимума.

Предполагается, что в 2008-09 годах рынок морской ветровой энергетики пополнится проектами общей мощностью приблизительно 1,5 ГВт, которые будут осуществлены в Великобритании (800 МВт), Дании (200 МВт), Швеции (140 МВт), Нидерландах (120 МВт), Франции (105 МВт), Германии (60 МВт) и Бельгии (30 МВт). Ожидается, что к концу 2008 года в Европейском Союзе 80% рынка морской ветровой энергетики будет сконцентрировано в Дании и Великобритании.

По оценкам Европейской Ассоциации ветровой энергетики (EWEA), к 2020 году только в Европе морские ветростанции будут производить примерно 20-40 ГВт энергии. Не так давно в США также было разработано два проекта ветропарков в открытом море, которые планируется разместить в штате Массачусетс и Нью-Йорке.

В силу своей специфики установка ветровых турбин в море оказалась дороже, чем аналогичные построения на суше. 1 кВт/час, выработанный, например, европейскими морскими ветровыми станциями стоит от 0,08 до 0,15 долларов, что вдвое выше стоимости энергии, полученной береговыми ветряными сооружениями.

Региональные тенденции рынка.

Европа вот уже на протяжении нескольких лет является постоянным лидером на рынке ветроэнергетики, не смотря на то, что ее доля с каждым годом снижается за счет развития данного направления на других континентах.

Ежегодно мощность энергии, полученной из ветра, в Европе увеличивается на 30%, а рынок соответствующего оборудования - на 25%. Если в 2006 году установленная мощность на европейском рынке ветроэнергетики возросла на 7,619 МВт, то в 2007 этот показатель составил уже 8,554 МВт, в итоге общий результат равнялся 56,535 МВт [4].

Более того, европейский рынок очень разнообразен и мало зависит от изменений в области ветроэнергетики той или иной страны, например, Германии или Испании.

На сегодняшний день ветряная энергия используется в 27 странах Европы. Доля установленной мощности оборудования для выработки энергии из ветра, приходящаяся на каждую из этих стран, показана ниже (в соответствии с рисунком 2).

Рисунок 2. Распределение европейского рынка ветровой энергетики (2007 г.)



Как видно из диаграммы, ветроэнергетика наиболее развита в Германии, за ней следует Испания и Дания. Такие страны, как Чешская Республика, Финляндия, Украина, Болгария, Венгрия, Эстония, Литва, Люксембург, Латвия, Румыния, Словакия, Кипр, Мальта и Словения все вместе составляют 1 % от общей установленной мощности.

Лидером среди стран по введению дополнительных мощностей в прошлом году стала Испания, которая добавила к имеющимся 15 145 МВт 3 522 МВт. Германия же к своим 22 247 МВт прибавила только 1 667 МВт, что не помешало ей сохранить за собой лидерство на европейском рынке ветроэнергетики.

Германия начала использовать энергию ветра в 1980-х годах. Уже в 1991 эта страна обладала чуть более 100 МВт установленной мощности ветряного оборудования, которая к концу 1997 года увеличилась до 2 000 МВт, тогда Германия завоевала первенство в мире по использованию энергетического потенциала ветра, обойдя США и сохраняя эти позиции до сегодняшнего времени.

В настоящий момент на рынке ветроэнергетики Германии работают следующие компании (в соответствии с рисунком 3):

Рисунок 3. Ведущие игроки на немецком рынке ветроэнергетики, 2007 г.

Согласно оценкам специалистов Немецкого института ветровой энергии, 37 % турбин для выработки энергии из ветра и соответствующих компонентов изготовлены в Германии. Одним из направлений развития рынка ветроэнергетики в этой стране в последнее время отмечается начавшийся переход на новый электропривод, то есть старые ветровые турбины заменяют новыми, более усовершенствованными. Кроме того, здесь уделяют огромное внимание развитию морской ветроэнергетики, ожидается, что к 2010 году мощность ветропарков морского базирования достигнет 1 100 МВт, а к 2020 году увеличится до 12 000 - 15 500 МВт.

С 1990 года Германия разрабатывает различные законопроекты, способствующие развитию ветроэнергетики. Правовая основа ветроэнергетики Германии в качестве модели была заимствована такими странами, как Франция, Греция, Испания, Австрия, Япония, Бразилия и Аргентина.

В начале 90-х гг. Германия утвердила Закон об электроснабжении. Он гарантировал владельцам ВЭУ, что электроэнергетические концерны будут закупать у них электричество по достаточно высоким ценам. В 2000 году в этой стране вышел Закон о Возобновляемых источниках энергии (EEG), который уже непосредственно регулировал данную область. Введение этого законопроекта позволило втрое нарастить установленную мощность ветростанций, если в 2000 году этот показатель составлял 6 113 МВт, то в 2007 он уже был равен 22 247 МВт. EEG гарантировал владельцам ветроустановок, что в течение 5 лет операторы электросетей будут покупать у них энергию как минимум за 9,10 центов. После этого стоимость 1 кВт/час снижается в зависимости от того, достигли ли ветростанции 150 % от рассчитанного дохода.

Кроме того, в Германии участникам ветроэнергетического рынка оказывается финансовая помощь. Например, немецкий банк выравнивания бремени («Deutsche Ausgleichs Bank» - банк, выполняющий особые функции) предоставляет ссуды, процентная ставка которых на 1-2 % ниже, чем на рынке, а Федеральное Министерство Просвещения и Исследования обеспечивает материальную поддержку в области научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок.

Стремительным ростом на европейском рынке ветроэнергетики отличилась также Испания, которая наращивает мощности ветроэнергетики с середины 90-х годов. На тот момент общая установленная мощность ветряного оборудования составляла 7 МВт, в прошлом году этот показатель возрос до 15 145 МВт .

Согласно оценкам испанского правительства в настоящее время в область ветроэнергетики вовлечено около 300-400 компаний. Одной из ведущих фирм, ставшей еще в 1980 году первопроходцем в области установки ветровых турбин, является «Ecotecnia», которая до сих пор стоит в числе главных игроков на испанском рынке ветроэнергетики. Среди лидирующих изготовителей ветрооборудования и операторов соответствующих станций также можно отметить такие компании, как «Gamesa Eolica», «Iberdrola» и «Acciona Energia», известные не только в Испании, но и во всем мире. Большое внимание в этой стране уделяется также развитию оффшорных ветровых станций, поскольку имеет необходимый потенциал.

Правительство Испании активно стимулирует развитие ветроэнергетики в стране, предоставляя частным инвесторам различные льготы. Во многих провинциях застройщики получают доступ к строительным площадкам только при условии оказать содействие развитию промышленной базы ветроэнергетики.

Америка стала одним из первых государств, кто начал использовать ветер в качестве источника энергии. По состоянию на 2007 год общая установленная мощность ветровых станций в США была равна 16 818,8 МВт.

Наиболее развита область ветроэнергетики в штатах Техас (4 356 МВт), Калифорния (2 439 МВт), Миннесота (1 299МВт), Айова (1 237 МВт) и Вашингтон (1 163 МВт). Подъем рынка ветроэнергетики США происходит, прежде всего, благодаря введению трехлетнего льготного периода для ветровой индустрии. Льготный период обеспечивается на федеральном уровне за счет Производственного налогового кредита. [5].

Азиатский континент становится одним из основных центров развития ветроэнергетики. Самым мощным азиатским рынком остается Индия, где общая установленная мощность ветропарков в прошлом году составила 7 850 МВт, за ней следует Китай с показателем 5 912 МВт.

Несмотря на низкую активность в области ветроэнергетики на рынке Латинской Америки, в таких государствах, как Бразилия и Мексика наметился существенный всплеск в развитии данного направления. Основным барьером, стоящим на пути формирования ветроэнергетики как полноценной отрасли является недостаточно разработанная нормативно-правовая база.

Менее интенсивно ветроэнергетика развивается в Африке. В основном энергетический потенциал ветра используется в северной части континента. Марокко, Тунис и Египет представляют тройку стран-лидеров в этой части света по установленной мощности ветростанций.

Ключевые игроки на рынке ветроэнергетики.

Крупнейшим в мире поставщиком ветротурбин является европейская компания «Vestas». Фирма производит промышленные ветрогенераторы мощностью от 850 кВт до 3,0 МВт. Согласно данным 2007 года «Vestas» установила в 63 странах мира 33 685 ветрогенераторов суммарной мощностью 25 721,75 МВт.

Другим ключевым игроком на исследуемом рынке является многопрофильная компания «GE Energy», работающая в сфере высоких технологий, а последние 20 лет известная также как ведущий поставщик и изготовитель ветровых турбин. За это время компания установила более 8 000 единиц техники общей мощностью более чем 11 300 МВт. В ассортименте компании наличествуют ветротурбины мощностью от 1,5 МВт до 2,5 МВт.

Не последнее место на рыке оборудования для ветростанций занимает компания «Gamesa Corporation Tecnologica», которая помимо ветрогенераторов специализируется также на выпуске солнечных установок. Фирма предоставляет широкий спектр оборудования и развивает свою деятельность преимущественно в Европе, США и Китае.

Немецкая компания «Enercon GmbH» установила 12273 ветряные турбины более чем в 30 странах мира. На международном уровне в области ветроэнергетики известна также компания «Siemens». Однако быстрый рост ветроэнергетической отрасли требует от изготовителей ветряных установок более адекватного реагирования на изменения на рынке, поскольку на сегодняшний день многие его участники сталкиваются с проблемой задержки поставок необходимого оборудования.

1.2 Передовой мировой опыт производства ветровой электроэнергии

Развитие современной ветроэнергетики идёт в основном по двум крупным направлениям:

-ветроэлектрические установки малой мощности, предназначенные для обеспечения автономного электроснабжения изолированных объектов и объектов, удалённых от электрических сетей;

-крупные ветровые парки на базе ветроэлектрических установок мегаваттного класса, работающие в составе объединённых энергосистем [6].

Второе направление в настоящее время развивается ускоренными темпами в связи с рядом преимуществ ветропарков перед индивидуальными ветроэлектрическими установками.

Однако в связи с большим многообразием конструкций современных мощных ветроэлектрических установок, представленных на мировом рынке, с одной стороны, и специфическими требованиями к размещению установок на местности, с другой стороны, главные электрические схемы ветропарков также отличаются многообразием, помимо технической стороны определяемым местными климатическими условиями и ландшафтом.

Многообразие конструкций ветроэлектрических установок проявляется, прежде всего, в использовании ведущими производителями нескольких типов генераторов электрической энергии, которые, в свою очередь, предъявляют различные требования как к системам управления и регулирования комплексов в целом, так и к наличию или отсутствию дополнительных ступеней преобразования электрической энергии до подключения к электрическим сетям.

В отличие от традиционных электростанций с достаточно компактным расположением первичных и вторичных преобразователей энергии, ветропарки в зависимости от установленной мощности могут занимать значительные площади с расположением отдельных ветроагрегатов на разном уровне по вертикали и протяжённостью от сотен метров до единиц километров. С учётом довольно внушительных единичных мощностей современных ветроэлектрических установок (от 1 до 5 МВт) такое положение обуславливает необходимость применения промежуточных ступеней трансформации электрической энергии для снижения уровня электрических потерь.

Краткий обзор особенностей конструкций современных ветроэлектрических установок мегаваттного класса

Первичное преобразование энергии ветра в механическую энергию в подавляющем большинстве современных мощных ветроэлектрических установок осуществляется при помощи трёхлопастных горизонтально-осевых ветродвигателей, обладающих относительно высоким коэффициентом использования энергии ветра и возможностью регулирования крутящего момента путём изменения углов атаки лопастей.

Характерной особенностью крупных ветроэлектрических установок является применение в подавляющем большинстве случаев механической трансмиссии, повышающей до приемлемой величины частоту вращения вала, приводящего электрический генератор. Это позволяет использовать в установках стандартные электрогенераторы, что в конечном итоге снижает затраты на выработку киловатт-часа электроэнергии. Специализированные низкооборотные генераторы для ветроэлектрических установок серийно производятся единственной компанией «Энеркон» [7].

Следующей характерной особенностью современного парка мощных ветроэлектрических установок является применение в большинстве конструкций (более 80 %) асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором. Несмотря на относительно скромные энергетические показатели, определяющими факторами выступают более высокая надёжность асинхронных машин и меньшие затраты на производство единицы электрической энергии в связи с их меньшей стоимостью. Синхронные генераторы, подключаемые к сети без промежуточных преобразователей, применяются редко.

Наряду с относительной простотой и высокой надёжностью ветропарков на базе ветроэлектрических установок с синхронными генераторами или асинхронными генераторами с КЗ ротором страдают большим недостатком - такие ветроэлектрические установки работают при неизменной частоте вращения главного вала, что приводит к недовыработке электроэнергии в переходных режимах от минимальной рабочей скорости ветра до номинальной. Именно это обстоятельство привело к появлению ветроэлектрических установок на базе:

-асинхронного генератора с переключаемым числом пар полюсов и двухскоростным мультипликатором;

-асинхронного генератора с фазным ротором и регулируемым скольжением;

-асинхронизированного синхронного генератора с питанием обмотки ротора от статического преобразователя частоты;

В последние годы производители крупных ветроэлектрических установок начали более широкое использование в их структуре статических преобразователей электрической энергии. В основном преобразовательная техника применяется при использовании ветроэлектрических установок с непостоянной частотой вращения главного вала, укомплектованных асинхронными генераторами с КЗ ротором или синхронными генераторами, как с электромагнитным, так и с магнитоэлектрическим возбуждением.

И наконец, в последние 30 лет в мировой ветроэнергетике наблюдается устойчивая тенденция роста единичных мощностей ветроэлектрических установок, которые в настоящее время достигают величин в 5- 6 мегаватт.

Анализ возможных вариантов схем электрических соединений ветропарков

Структура, характеристики и комплектующие схемы электрических соединений ветропарков определяются множеством факторов: единичной мощностью установок, их количеством, расстановкой на местности, типом применяемых генераторов электроэнергии и наличием статических преобразователей. Фактически ветропарки представляет собой локальную распределительную электрическую сеть с обратно направленным потоком энергии, которую следовало бы назвать коллекторной сетью. В зависимости от перечисленных выше параметров соединительная сеть ветропарков может быть выполнена по магистральному, радиальному или смешанному принципу. Взаимное расположение установок и дистанция между ними обусловлены в основном двумя факторами: единичной мощностью и формой розы ветров на рассматриваемой площадке.

В случае расположения установок в линию, что характерно для горных перевалов, побережий морей или крупных озёр, оффшорных парков на морской косе или искусственном молу, применяется магистральная схема. Роза ветров при этом, как правило, имеет устойчивую вытянутую форму с ярко выраженными доминирующими направлениями, и линия установок располагается перпендикулярно биссектрисе сектора, ограничивающего эти направления. Расстояния между отдельными ветроэлектрическими установками в ряду в этом случае могут составлять лишь 3-4 диаметра ветротурбины, поскольку турбулентные следы от ветротурбины не оказывают влияния на работу соседних установок. Величины диаметров современных трёхлопастных ветротурбин мегаваттного класса колеблются в пределах от 60 до 120 метров. Таким образом, ветропарк, состоящий, например, из 10 установок, расположенный на морской косе, может иметь протяжённость магистрального кабеля от 1800 до 2400 метров [8].

В случае расположения ветропарка на материке в степной зоне, где роза ветров более равномерна, может быть применена радиальная схема с главной повышающей подстанцией в геометрическом центре парка (при этом соединение с прилегающей электрической сетью обычно выполняется комбинированной кабельно-воздушной линией электропередачи, поскольку на территории ветропарков воздушные ЛЭП, как правило, не применяются). При равномерной розе ветров дистанции между отдельными установками во всех направлениях должны быть одинаковыми. Их величина должна составлять не менее 6-9, а по некоторым источникам - 20 диаметров ветротурбин. Данное требование вызвано тем, что при рабочих для современных ветроэлектрических установок скоростях ветра (чаще всего от 10 до 25 м/с) турбулентный след от ветротурбин простирается по направлению ветра именно на такое расстояние. Вместе с тем попадание ветротурбины в турбулентный воздушный поток резко снижает её аэродинамический КПД. Таким образом, для ветропарков с диаметрами ветротурбины от 60 до 120 метров дистанции между отдельными установками возрастают до 600-1200 метров.

В настоящее время в составе ветропарков наиболее широкое распространение получили ветроэлектрические установки с единичными мощностями от 1,5 до 3,5 МВт, номинальным напряжением на выходе генератора 660-690 В и диаметрами ветротурбины от 60 до 90 метров [9].

Простейший расчёт показывает, что при указанных мощностях генераторов и приведённых выше длинах соединительных кабельных линий экономичная работа коллекторных сетей ветропарков возможна лишь в случае применения в них повышенных рабочих напряжений.

Чаще всего современная сетевая ветроэлектрическая установка снабжается собственным повышающим трансформатором, а соединение установок между собой осуществляется на стороне среднего напряжения от 6 до 30 кВ.

Схемы ветропарков небольшой мощности

Ветропарки небольшой мощности, построенные 15-20 лет назад и состоящие из ветроэлектрических установок единичной мощностью от 100 до 250 кВт, выполнялись на рабочих генераторных напряжениях. На рис. 1-3 приведены варианты радиальных схем ветропарков на базе ветроэлектрических установок с различными типами электрогенераторов.

В случае если статические преобразователи отсутствуют, и частота вращения вала установки при работе поддерживается стабильной и кратной частоте сети, для ветропарков на базе ветроэлектрических установок с синхронными генераторами может быть несколько вариантов подключения:

-каждый генератор имеет собственное устройство синхронизации;

-устройства автоматической синхронизации синхронизируют генераторы между собой в группах, а затем происходит синхронизация

групп с сетью;

-устройства автоматической синхронизации синхронизируют генераторы между собой в группе, затем синхронизируются группы, а с сетью синхронизация происходит непосредственно на главной повышающей подстанции.

Очевидно, что первый вариант наиболее полно отвечает эксплуатационным требованиям и позволяет устанавливать минимальное количество синхронизирующих устройств. В этом случае любой из генераторов может подключаться к сети независимо от других, при запуске после аварии на одной из подстанций первой ступени синхронизируется только одна группа генераторов (в соответствии с рисунком 4).



Рисунок 4. Ветропарки небольшой мощности на базе ветроэлектрических установок с синхронными генераторами.

Основными недостатками этой концепции являются необходимость частой синхронизации генераторов ветроэлектрических установок при подключении к сети и недовыработка электроэнергии, обусловленная постоянной частотой вращения ветротурбины.

Синхронизация должна осуществляться каждый раз после отключения ветроэлектрических установок от сети вследствие недостаточной величины скорости ветра, после отключения от сети вследствие превышения максимальной скорости ветра, а также после планово-предупредительных осмотров и ремонтов [10].

Применение асинхронных генераторов позволяет исключить из главной схемы ветропарков синхронизирующие устройства. Однако в этом случае собственнику ветропарков приходится либо расплачиваться с сетевой компанией за реактивную мощность, потребляемую установками из сети, либо применять устройства компенсации реактивной мощности. Компенсирующие устройства можно установить непосредственно у каждого генератора, одно на каждую группу генераторов или одно на повышающей подстанции второй ступени (в соответствии с рисунком 5).

Для «мягкого» подключения ветроэлектрические установки к сети по достижению ветротурбины синхронной частоты вращения в таки схемах используются управляемые тиристорные вентили.

Рисунок 5. Ветропарк небольшой мощности на базе ветроэлектрических установок с асинхронными генераторами с КЗ ротором.

Аналогичные схемы подключения могут быть использованы для ветроэлектрических установок на базе двухскоростных асинхронных генераторов и асинхронных генераторов с фазным ротором и регулируемым скольжением. Однако такие электрические машины чаще применяются в составе более мощных ветроэлектрических установок, снабжаемых индивидуальными повышающими трансформаторами, и схемы их подключения рассмотрены ниже.

Если ветроэлектрическая установка, входящие в состав ветропарков имеют непостоянную частоту вращения ветротурбины и оснащены асинхронными генераторами с КЗ ротором или синхронными генераторами (с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением) непостоянной частоты вращения, передача всей электрической мощности в сеть осуществляется с помощью статического преобразователя частоты (в соответствии с рисунком 6).



Рисунок 6. Ветропарки небольшой мощности на базе ветроэлектрических установок с асинхронными или синхронными генераторами непостоянной частоты вращения и полным преобразованием вырабатываемой энергии.

Радиальные схемы ветропарков средней мощности

Приведены схемы ветропарков (в соответствии с рисунком 7-9), построенные по радиальному принципу с использованием трансформаторов среднего напряжения при ветроэлектрических установках.

Рисунок 7. Радиальная схема соединений ветропарков на базе ветроэлектрические установки с синхронными генераторами.

Рисунок 8. Радиальная схема соединений ветропарков на базе ветроэлектрические установки с асинхронными генераторами с КЗ ротором.

Рисунок 9. Радиальная схема соединений ветропарков на базе ветроэлектрические установки с асинхронными или синхронными генераторами непостоянной частоты вращения и полным преобразованием вырабатываемой энергии.

При благоприятной геометрии розы ветров может наблюдаться подключение нескольких ветроэлектрических установок на один повышающий трансформатор среднего напряжения (в соответствии с рисунком 10).

Рисунок 10. Вариант сложно разветвлённой радиальной схемы ветропарков.

Магистральные и смешанные схемы соединений ветропарков средней и большой мощности

Одной из основных тенденций развития мировой ветроэнергетики является строительство крупных оффшорных ветропарков на континентальных шельфах. Количество ветроэлектрических установок в таких ветропарков колеблется от 8-10 до 80 единиц, при этом установки выстраиваются вблизи побережья в 2-4 ряда и соединяются между собой и с главной повышающей подстанцией подводными кабелями.

Приведена характерная схема соединений оффшорного ветропарков (в соответствии с рисунком 11). Следует отметить, что применение ветроэлектрических установок на базе различных по принципу действия и конструкции электрических генераторов наблюдается в основном при модернизации или расширении действующих ветропарков. Во вновь создаваемых ветровых парках по эксплуатационным соображениям используются ветроэлектрические установки одинаковой конструкции и одного типоразмера.

Рисунок 11. Пример магистральной (как вариант - кольцевой) схемы электрических соединений оффшорного ветропарка (упрощено).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

-в мировой ветроэнергетике наблюдается устойчивая тенденция роста единичной мощности ветроэлектрических установок и строительства крупных ветропарков;

-ветроэлектрические установки, входящие в состав ветропарков всё чаще снабжаются индивидуальными повышающими трансформаторами с напряжением на высокой стороне от 6 до 30 кВ, что обусловлено значительной территориальной протяжённостью ветропарков;

-конфигурация схемы электрических соединений ветропарков и используемое рабочее напряжение коллекторной сети определяются значительным числом факторов, основными из которых являются: единичная мощность используемых ветроэлектрических установок, количество ветроэлектрических установок в парке и роза ветров на рассматриваемой площадке;

-наибольшее распространение для ветропарков небольшой мощности получили радиальные схемы электрических соединений, а для ветропарков средней и большой мощности - радиальные, магистральные и смешанные;

-соединительные сети ветропарков выполняются кабельными линиями среднего напряжения;

-последней тенденцией в развитии крупных ветроэнергетических установок и ветропарков является применение установок с непостоянной частотой вращения на базе синхронных генераторов с полным преобразованием вырабатываемой электроэнергии статическими преобразователями частоты.

1.3 Социально-экологические характеристики ветровой энергетики

Возобновляемая энергетика (без крупных ГЭС) предотвращает опасное изменение окружающей природной среды:

-при строительстве шахт и добыче открытым способом (уголь, уран), бурении (природный газ, нефть), прокладке трубопроводных систем (газ, нефть, продукты переработки нефти). Некоторые из этих изменений среды носят локальный характер, а некоторые - распространяются на многие сотни и тысячи километров;

-из-за загрязнения воздуха и воды: кислотные дожди, смог, тяжелые металлы, грязная вода при бурении скважин;

-вследствие глобального изменения климата из-за сжигания ископаемого топлива;

-из-за теплового загрязнения (сброс охлаждающей воды от атомных и тепловых электростанций);

-из-за загрязнения окружающей среды на стадии транспортирования и переработки угля и урана.

Энергоустановки на базе ВИЭ не загрязняют ни воздух, ни воду, ни землю и не производят опасных отходов. Они не истощают природные ресурсы и не являются причиной загрязнения природы, имеющего место при добыче, переработке и транспортировке топлива. Свободная от загрязнений возобновляемая энергия может снизить ущерб окружающей среде, наносимый топливной энергетикой во всех странах мира [11].

Диоксид серы и окислы азота вызывают кислотные дожди, которые наносят ущерб всему живому. Кислотные дожди приводят к коррозии зданий, мостов и других сооружений. Окислы азота (которые образуются при сгорании природного газа) являются первичным компонентом для образования смога. Принято считать, что диоксид углерода (СО2) - парниковый газ, вносит решающий вклад в глобальное изменение климата (препятствуя рассеянию тепла от нагретой Солнцем поверхности, превращает Землю в парник, теплицу). Выбросы парниковых газов, нарушая сложившийся газовый баланс и свойства атмосферы, приводят не только к росту средней температуры, но вызывает другие изменения погодных условий, в частности - засухи в одни местах и наводнения - в других. Выбросы АЭС огромного количества криптона-85 ведут к изменению электропроводности атмосферы и увеличению числа и интенсивности бурь, штормов, ураганов, тайфунов.

Особое беспокойство вызывает влияние традиционной топливной энергетики на здоровье.

В настоящее время воздух с вредными веществами (а топливная энергетика остается главным из стационарных источников загрязнении воздуха в городах) вносит решающее влияние в заболевания астмой у детей в промышленно развитых и развивающихся странах. Городской смог связан с малым весом новорожденных, мертворожденными детьми и детской смертностью. В США исследованиями документально подтвержден этот эффект даже в городах с новейшими системами контроля загрязнений. Токсичные тяжелые металлы, всегда присутствующие в выбросах от сжигания угля и мазута, неизбежно включаются в экологические цепочки и оказываются в продуктах питания.

Это негативное влияние топливной энергетики в странах Европейского Союза породило предложения к включению дополнительной надбавки «social cost» (социальная стоимость или «внешние затраты») в тариф на электроэнергию от топливной энергетики. Эти дополнительные средства идут на компенсацию ущерба, причиняемого топливной энергетикой здоровью людей и имуществу, а по предварительным расчетам могут составлять от 1,5 до 4 центов США за кВтч. Разумеется, что электроэнергия, выработанная на базе ВИЭ, свободна от этого налога. [12].

1.4 Характеристика ветроэнергетической установки

Ветроэнергетическая установка представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. п.).

Ветроагрегат, являясь основной частью ветроэнергетической установки, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т. п.).

Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения ветродвигателя. Рабочие движения, которые совершает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигателях в качестве рабочего движения используется круговое вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованные) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного.

Рассматриваются ветродвигатели, совершающие только круговое вращательное рабочее движение (ветротурбины). У таких ветродвигателей устройством, которое непосредственно воспринимает аэродинамические нагрузки от ветрового потока и преобразует энергию ветра в механическую энергию рабочего кругового вращательного движения, является лопастная система, называемая ветроколесом.

Лопастная система ветродвигателя (ветроколесо) может иметь различное конструктивное исполнение. У современных ветродвигателей лопастная система выполнена в виде жестких лопастей с крыловым профилем в поперечном сечении (иногда в этом случае используют термины «крыльчатые», или пропеллерные, ветродвигатели). Известны успешно работающие лопастные системы, в которых вместо лопастей используются вращающиеся цилиндры (использование эффекта Магнуса). Имеются предложения по созданию лопастной системы на основе различного типа лопастей с гибкими поверхностями (паруса). Таким образом, лопасть - это составная часть ветроколеса, создающая крутящий момент.

Лопастная система ветродвигателя с рабочим круговым вращательным движением может иметь горизонтальную или вертикальную оси вращения. Соответственно, согласно ГОСТ [1], горизонтально-осевым ветродвигателем называется ветродвигатель, у которого ось вращения ветроколеса расположена параллельно или почти параллельно вектору скорости ветра (в соответствии с рисунком 12). Ветродвигатель, у которого ось вращения расположена перпендикулярно как вектору скорости ветра, так и земле, называется вертикально-осевым (в соответствии с рисунком 13).

Рисунок 12. Конструктивная схема горизонтально-осевого ветроагрегата:

1 - ветродвигатель; 2 - гондола; 3 - мультипликатор;

4 - нагрузка (электрогенератор); 5 - башня; 6 - фундамент.

Рисунок 13. Конструктивная схема вертикально-осевого ветроагрегата:



1 - ветродвигатель; 2 - силовые элементы; 3 - верхний редуктор; 4 - башня; 5 - силовая оттяжка; 6 - вал; 7 - нижний редуктор; 8 - электрогенератор; 9 - фундамент.

При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет как особенностей ветроагрегата, так и всей ветроэнергетической установки. В связи с этим ветроэнергетическую установку классифицируют по следующим признакам: виду вырабатываемой энергии, уровню мощности, назначению, областям применения, признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса, способам управления, типу системы передачи ветровой мощности потребителю.

В зависимости от вида вырабатываемой энергии ветроэнергетической установки подразделяют на ветроэлектрические и ветромеханические. Электрические ветроэнергетические установки, в свою очередь, подразделяются на ветроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ветроэнергетические установки служат для привода рабочих машин.

По уровню мощности ветроэнергетические установки подразделяют на четыре группы: очень малой мощности, менее 5 кВт; малой мощности, от 5 до 99 кВт; средней мощности, от 100 до 1000 кВт; большой мощности, свыше 1 МВт. Ветроустановки каждой группы отличаются друг от друга, прежде всего конструктивным выполнением, типом фундамента, способом установки ветроагрегата на ветер, системой регулирования, системой передачи ветровой мощности, способом монтажа и способом обслуживания [12].

В зависимости от назначения электрические ветроэнергетические установки постоянного тока подразделяют на ветрозарядные, гарантированного электроснабжения потребителя, негарантированного электроснабжения. Электрические ветроэнергетические установки переменного тока подразделяют на автономные, гибридные, работающие параллельно с энергосистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой), сетевые, работающие параллельно с мощной энергосистемой.

Механические ветроэнергетические установки по назначению подразделяют на:

-ветронасосные для привода водяных насосов;

-ветросиловые для работы с промышленными и бытовыми механизмами.

Классификация ветроэнергетических установки по областям применения определяется их назначением. При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходим учет типа нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т. п.), типа системы передачи ветровой мощности к потребителю, типа системы генерирования и аккумулирования электроэнергии. Система передачи ветровой мощности представляет собой определенный комплекс различных устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения вала этой машины. В современной ветроэнергетике чаще всего используют механический способ передачи мощности. Известны также гидравлический, пневматический и аэродинамический способы передачи ветровой мощности потребителю. Система генерирования электроэнергии представляет собой электромашинный генератор и комплекс устройств (устройства управления, силовой электроники, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.

Параметры, характеризующие работу ветродвигателя и ветроустановки

На некотором расстоянии перед ветроагрегатом, где набегающий атмосферный поток равномерен, кинетическая энергия Е массы т воздушного потока выражается величиной:



,

где E- кинетическая энергия (Дж) [13].

Величина m=сV0A в сечении перед ветроагрегатом является массовым расходом воздуха, который мог бы пройти через ометаемую площадь ветроколеса А за единицу времени, имея плотность с. Ометаемая площадь ветроколеса - это геометрическая проекция площади ветроколеса на плоскость, перпендикулярную вектору скорости ветра V0. В случае перпендикулярности вектора скорости ветра V0 к ометаемой площади А величина А=рD2 /4 для горизонтально-осевого ветродвигателя и А=Dр·Hр для вертикально-осевого ветродвигателя. Здесь диаметр ветроколеса D - это диаметр окружности, описываемой наиболее удаленными от оси вращения ветроколеса частями лопастей.

Располагаемая мощность воздушного потока Nветро натекающего на ветродвигатель (т. е. полная кинетическая энергия набегающей воздушной струи со скоростью V0 и площадью поперечного сечения, равной площади, ометаемой его лопастной системой):

Ветродвигатель извлекает из ветрового потока только часть этой мощности и передает ее затем потребителю, например электрогенератору. Обозначим мощность, развиваемую ветродвигателем, как Nвд. Отношение мощности ветродвигателя Nвд (механической энергии, развиваемой ветроколесом) к располагаемой мощности ветрового потока Nветро (полной энергии, проходящей через ометаемую площадь ветроколеса)

Отношение окружной скорости конца лопасти на периферии к скорости невозмущенного потока ветра: