Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Энергетический факультет

Реферат

по предмету: "Нетрадиционные источники энергии"

на тему: "Передача энергии от морских ветроэлектрических станций на берег. Системы аккумулирования энергии"

Выполнил: студент группы 306011

Красковский И.А.

Руководитель: Прокопеня И.Н.

Минск, 2015

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15-30 % энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался - ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах. ветроэнергетический аккумулятор оффшорная проблема

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие - на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

При выборе месторасположения ветряной электростанции главным критерием является среднегодовая скорость ветра. Чем выше этот показатель, тем эффективнее будет работать ветроэлектрическая установка, и тем самым стабильнее будет передача электроэнергии потребителю. Именно поэтому к оффшорным ветряным электростанциям прикован наибольший интерес.

Преимущества и недостатки

Среди отраслей возобновляемой энергетики по установленной мощности ветроэнергетика развивается особенно быстро. Сейчас уже построены огромные наземные ветропарки. Одним из является Roscoe Wind Farm с 627-и установками горизонтально-осевого типа, и расположенном на площади в 400 квадратных км.

Однако, территория, где дуют сильные и стабильные ветра, на суше не безгранична. Особенно в густонаселенной Европе. Конечно, можно построить ветропарки на суше и за пределами Европы, но тогда транспортировка электроэнергии обходилась бы настолько дорого, что строить ветропарки просто не имело бы смысла. Но выход был найден - это территория на море вдоль побережья. В некоторых местах глубина достигает нескольких десятков метров, и при этом территория ничем не занята. Кроме этого, в море среднегодовая скорость ветра выше, чем на суше, что позволит вырабатывать больше электроэнергии. Например, в Северном море средняя глубина составляет 96 м при площади в 544 тыс. кв. км. Поэтому неудивительно, что на нем расположено больше всего оффшорных ветропарков.

Еще одним преимуществом может послужить тот факт, что оффшорную ВЭС можно расположить в море вблизи крупного промышленного центра, снизив тем самым стоимость передачи электроэнергии по сетям. При этом на удалении 10-12 км от берега, оффшорная ВЭС не будет портить морские пейзажи.

Но несмотря на преимущества у оффшорной ветроэнергетики есть огромный минус - строительство оффшорных ветропарков обходится дороже, чем наземных, поэтому окупается оно лишь в том случае, если ветропарк вырабатывает достаточное количество энергии. Например, установка фундамента для наземной ВЭУ обходится в несколько раз дешевле, чем для оффшорной ВЭУ. В связи с этим, по данным REN21, стоимость одного кВт-часа для ВЭС мощностью выше 1,5 МВт наземного размещения равно 5-9 центов США, а для морского размещения 10-14 центов США. Для сравнения стоимость одного кВт-часа для гидроэлектростанций с установленной мощностью свыше 10 МВт составляет 2-5 центов США.

Специалисты предлагают снизить себестоимость произведенной энергии за счет увеличения размеров ветроустановок. Но здесь тоже возникают множество вопросов, связанных с прочностью. Например, длина лопастей некоторых моделей превышает 45 метров, и при дальнейшем увеличении этого показателя, повышаются требования к их прочностным характеристикам.

Также эксплуатация и техническое обслуживание оффшорных ветряных электростанций является более трудным и дорогостоящим, чем наземных ветряных электростанций. Морские условия усложняют монтаж, пуско-наладочные работы, обслуживания и ремонт, что делает это основной проблемой. В зимних условиях, ветряные электростанции могут быть недоступны для обслуживания в течение нескольких дней при штормовых условиях и плохой видимости. Кроме этого существует еще ряд вопросов, которые необходимо решить при установке оффшорных ВЭС. Это и вопрос, связанный с помехой для транспортного судоходства и рыболовства, и вопрос с экологией, и т.д.

Но, тем не менее, развитие этой отрасли продолжается, и предлагаются все новые и новые решения оффшорных ветроустановок.

История появления оффшорной энергетики

Пионером в области оффшорной ветроэнергетики является Дания. Именно в этой стране в 1991 году была установлена первая в мире оффшорная ветроэлектростанция (ВЭС) Vindeby (еще известна как Ravnosbogr) мощностью 5 МВт, состоящая из 11 ветротурбин компании Siemens мощностью 0,45 МВт каждая.

По состоянию на октябрь 2010 года суммарная мощность всех установленных оффшорных ветрустановок составляет 3,16 ГВт. Большая часть оффшорных ветроустановок находятся в Северной Европе. Согласно исследованиям BTM Consult к 2014 году суммарная мощность оффшорных ветроустановок превысит 16 ГВт. Значительный вклад в это внесут строящиеся оффшорные ветропарки в Великобритании и Германии.

Например, в Великобритании за 2010 год было построено четыре оффшорных ветроэлектростанций с наименьшей установленной мощностью 64,8 МВт и с наибольшей 300 МВт (Thanet Offshore Power Station).

Как работает оффшорная ветряная электростанция?

Принцип работы оффшорного ветропарка кардинально ничем не отличается от наземного. Разница лишь в условиях эксплуатации. Оффшорные ветротурбины должны иметь повышенную защиту от агрессивной среды - т.е. от соленой воды, что влияет на требование к некоторым материалам.

Ветротурбина устанавливается на фундамент (1). Набегающий ветряной поток под действием аэродинамических сил вращает лопасти (2), которые механически связаны коробкой передач (мультипликатор) и генератором, расположенными в гондоле (3). Генератор вырабатывает электроэнергию, передающуюся по подводным кабелям сначала на оффшорный трансформатор (5), а затем на подстанцию (6), расположенную на берегу.

В зависимости от типа и глубины поверхности существует несколько разновидностей фундаментов.

Наиболее распространенные модели ветроустановок

По состоянию на октябрь 2010 года доля ВЭУ производства немецкого концерна Siemens и датского концерна Vestas составляет 91,8 % от всей установленной мощности оффорных ветропарков - это 3160 МВт. Для строительства оффшорных ВЭУ производства Vestas наибольшей популярностью пользуются модели Vestas V-80 (мощность 2 МВт) и Vestas V-90 (3 МВт), а производства Siemens модели Siemens 2,3-93 и Siemens 3,6-107.

Судно для установки фундамента для ветроустановок

Одним из суден, служащим для установки фундамента является судно TIV Resolution, специально разработанное для этих целей. Для этого оно оснащено 6-ю опорами, которые опускаясь на дно, стабилизируют судно, тем самым обеспечивают стабильную платформу для установки турбин на заранее подготовленное место. Как только турбины установлены, Resolution опускается обратно в воду и передвигается на другую локацию, где процесс повторяется.

Аккумулирование энергии

Под аккумулированием (накоплением) энергии понимается ввод какого-либо вида энергии в устройство, оборудование, установку или сооружение - в аккумулятор (накопитель) энергии - для того, чтобы эту энергию оттуда затем в удобное для потребления время снова в том же или в преобразованном виде получить обратно.

В наше время, все больше развитых стран начинают диверсифицировать свою электроэнергетику посредством альтернативных источников энергии. Например, в Германии уже на сегодняшний день около 20 % всей вырабатываемой электроэнергии приходится на долю возобновляемых генерирующих мощностей, а к 2020 году планируется довести этот показатель до 30 %. Основной же проблемой таких источников, помимо высокой стоимости, является нестабильность вырабатываемых мощностей, а также рассогласованность между пиками в потреблении и выработки этой самой электроэнергии. И тут встает вопрос системы её наиболее эффективной аккумуляции.

Проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии, является одной из важнейших и наиболее сложных задач современной энергетики.

Выбор типа и емкости аккумулирующего устройства по своему существу относится к области оптимизации надежности энергоснабжения путем резервирования.

С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи:

- литиево-ионная система аккумулирования энергии на 5 МВт;

- выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает генерирующая установка в условиях постоянно меняющейся скорости ветра;

- согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно;

- снабжение объекта энергией по заданному графику;

- увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой;

- повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии.

Для реализации большинства задач применяют, как правило, так называемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии определяется 2-3-суточным потреблением. Они рассчитаны на использование в периоды достаточно длительных спадов в генерации энергии.

При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, должны приниматься во внимание многие характеристики аккумуляторов:

- относительная масса;

- удельные затраты;

- длительность хранения энергии;

- сложность энергетических преобразований;

- безопасность эксплуатации и т.п.

Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, режимов ветра, условий и схемы использования генерирующей установки; мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т.к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.

Системы аккумулирования тепловой энергии. Одной из ключевых проблем нетрадиционной, в первую очередь, солнечной энергетики является проблема теплового аккумулирования. Тепловые аккумуляторы эффективно используются также в комплексе с ветроэлектрическими агрегатами, фотобатареями и в традиционной энергетике для снятия пиковых нагрузок.

Тепловое аккумулирование - это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии.

Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Аккумулирование тепла в различных энергосистемах ориентировано в первую очередь на отопление и горячее водоснабжение. Применение аккумуляторов тепла в водонатрева тельной системе позволяет приспосабливать ее к условиям спроса на горячую воду, изменяющегося в течение суток. Применение различных способов накопления тепловой энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть проблему, обусловленную суточной периодичностью и непостоянством поступления солнечной энергии. Даже в условиях безоблачного неба необходимое количество энергии при соответствующей температуре теплоносителя можно получить только на протяжении нескольких часов до и после полудня. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления помещений, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60 °С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, накапливать ее необходимо в одни периоды суток, а использовать - в другие. Практическое применение различных типов тепловых аккумуляторов связано в первую очередь с определением их оптимальных рабочих характеристик, с выбором недорогих и эффективных конструкционных материалов и теплоаккумулирующих сред.

Эффективность теплового аккумулятора при прочих равных условиях определяется массой и объемом теплоаккумулирующего материала (ТАМ), необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

Классификация тепловых аккумуляторов проводится в соответствии с несколькими главными признаками:

по природе аккумулирования:

теплоемкостные (TEA),

аккумуляторы с фазовым переходом (АФТ),

термохимические аккумуляторы (ТХА);

по уровню рабочих температур:

низкотемпературные (до 100 °С) ТА,

среднетемпературные ТА (от 100 до 400 °С),

высокотемпературные ТА (свыше 400 °С);

по продолжительности периода заряд-разряд ТА:

краткосрочные (до 3-х суток),

среднесрочные (до 1 месяца),

межсезонные (до полугода).

Выбор и конструирование ТА проводится с учетом параметров энергосистемы и потребителя тепловой энергии. Как правило, в нетрадиционной энергетике используются краткосрочные или среднесрочные низкотемпературные теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом.

При рассмотрении характеристик аккумулирующих и теплообменных сред, применяемых в тепловом аккумуляторе, можно выделить такие основные разновидности теплового аккумулирования:

прямое аккумулирование тепловой энергии - аккумулирующим и теплообменным веществом является одна и та же среда; аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость + газ);

косвенное аккумулирование - энергия аккумулируется посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной, процесс может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом (твердое тело-твердое тело, твердое тело-жидкость, жидкость-пар);

полупрямое аккумулирование - процесс проходит, как во втором случае, за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет наиболее важную роль;

сорбционное аккумулирование - в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением или поглощением тепла при десорбции газа. Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа.

Технические решения. Широкий спектр проблем при применении аккумуляторов тепла и большое разнообразие методов аккумулирования приводят к различным техническим решениям, причем для каждого конкретного случая внедрения ТА в энергетическую систему на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии необходимо проведение детальных исследований и расчетов. Аккумулирование тепла за счет теплоемкости наименее эффективно, низкая теплоемкость многих доступных теплоаккумулирующих материалов должна компенсироваться использованием больших объемов ТАМов, разряд аккумуляторов характеризуется переменной температурой. Эти аккумуляторы еще называются теплоемкостными (TEA), так как их работа основана на использовании теплоемкостных характеристик различных твердых и жидких веществ.

Аккумуляторы, использующие тепловые эффекты обратимых фазовых переходов (АФП), характеризуются более высокой плотностью теплового потока при малом объеме ТАМов и практически постоянной температурой разряда. Однако данный метод имеет свои недостатки: во-первых, стоимость ТАМов с фазовым переходом выше стоимости традиционных теплоемкостных материалов (камень, вода, гравий), во-вторых, теплообмен в АФП требует наличия развитой поверхности теплопередачи, что значительно увеличивает их стоимость. Поэтому при разработке ТА должна учитываться не только стоимость ТАМов, но и стоимость устройства АФП с учетом доступности аккумулирующих и конструкционных материалов.

Плотность энергии в аккумуляторах на основе обратимых химических реакций (так называемые термохимические аккумуляторы - ТХА) выше плотности энергии в АФП и значительно выше, чем в TEA. Принцип работы ТХА основан на аккумулировании энергии, которая поглощается и освобождается при разрыве и создании молекулярных связей в полностью обратимых химических реакциях. При создании ТХА существуют значительные затруднения, обусловленные небольшим количеством дешевых химических соединений, пригодных для ТХА, и выделением газов в процессе химических реакций.

Таким образом, на практике широко используют теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом. Они рекомендуются как для промышленности с использованием значительных объемов, так и в индивидуальных хозяйствах и технологических процессах. Аккумуляторы ТХА могут быть рекомендованы лишь в определенных случаях с использованием безопасных технологий. Тепловое аккумулирование. Для создания эффективных тепловых аккумуляторов необходимо решить такие первоочередные задачи:

внедрение теплоаккумулирующих материалов с высокими удельными энергетическими характеристиками, большим ресурсом работы и широким диапазоном рабочих температур;

выбор конструкционных материалов с высокими теплотехническими и коррозионностойкими характеристиками;

создание оптимальных конструкций ТА в зависимости от функционального назначения, источника энергии и нужд потребителей.

При выборе рабочих веществ для тепловых аккумуляторов необходимо учитывать энергетические и эксплуатационные характеристики, как источника энергии, так и самого аккумулятора. Основными рабочими характеристиками ТАМов являются: удельная энергия, рабочий диапазон температур, стабильность и безопасность в работе, низкая коррозионная агрессивность, недефицитность и невысокая стоимость. При использовании в качестве ТАМов гидратов солей обращают внимание на их способность присоединять и терять молекулу воды при нагреве и охлаждении.

В зависимости от ряда факторов тепловой аккумулятор может иметь постоянные или переменные показатели массы, объема и давления. Постоянная масса (dMaK = 0) - как правило, для случая косвенного аккумулирования, однако может быть таковой и при прямом аккумулировании, если перемешиваемая часть массы после охлаждения (разряд ТА) или нагрева (заряд ТА) полностью возвращается в аккумулятор. Переменная масса (dMaK ф 0) - всегда в случае прямого аккумулирования. Постоянный объем (dVaK = 0) - для случая аккумулирования в закрытых резервуарах. Переменный объем (dУлк ф 0) - для случая аккумулирования в условиях атмосферного давления или при помощи специального компрессионного оборудования.

Заключение

Оффшорная ветроэнергетика продолжает развиваться. Уже сегодня есть разработки плавучих ВЭУ, не требующих установки фундамента. Все чаще предлагаются даже в чем-то футуристические разработки. И не смотря на некоторую дороговизну "оффшорной" электроэнергии, перспективы в данном сегменте огромные.

Список использованных источников

1. http://greenevolution.ru/enc/wiki/akkumulirovanie-energii/.

2. Б.И. Врублевский, Основы энергосбережения: Учебное пособие /Б.И. Врублевский, С.Н. Лебедева, А.Б. Невзорова и др. под ред. Б.И. Врублевского. - Гомель: ЧУП "ЦНТУ "Развитие", 2002. - 190 с.

3. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю.Н. Старшикова. - М.: Энергия, 1990. - 256 с.

4. http://www.ekopower.ru/?p=723.

Размещено на Allbest.ru