Белорусский национальный технический университет Энергетический факультет Кафедра 'Электрические системы' Профессор Федин Виктор Тимофеевич Инновационные технические решения в системах производства, передачи и распределения энергии
Тема 2. Распределенные системы генерации и накопления энергии По технологии производства электроэнергии для распределенной генерации характерны: - парогазовые ТЭЦ; - мини ТЭЦ на местных видах топлива; - поршневые двигатели; - малые когенерационные электростанции на местных видах топлива; - топливные элементы, основанные на химической реакции взаимодействия кислорода и водорода для выработки электроэнергии; - солнечные батареи; - ветрогенераторы; - ГЭС небольшой мощности. Мощность ветрогенератора пропорциональна скорости ветра в кубе. Турбина ветроэнергетической установки начинает выдавать мощность при скорости ветра ~ 5 м/с, а ее номинальная мощность достигается при скоростях ветра 12 – 13 м/с. При дальнейшем увеличении скорости ветра соответствующим регулятором ограничивается мощность, а при скорости ветра 22 м/с он останавливает турбину во избежание ее поломок.
При теоретическом КПД ветротурбины 59% фактическая мощность составляет 10 – 40% от номинальной. Отдельные ветроэнергетические установки формируют в ветропарки, в которых эти установки располагают рядами. В ряду между опорами установок расстояние принимают 4Д, а между рядами – 10Д, где Д – диаметр ротора). В США стоимость выработки электроэнергии на ветроэнергетических установках сопоставима со стоимостью на тепловых электростанциях, работающих на угле, и составляет 3 – 5 цент/(к Втч). В соответствии с международной терминологией ГЭС разделяются на : - крупные мощностью более 10 МВт; - малые мощностью 1 – 10 МВт; - мини ГЭС мощностью от 100 к Вт до 1 МВт; - микро ГЭС мощностью менее 100 к Вт.
Некоторые технические решения ГЭС: -Гирляндные ГЭС, 1 -5 к Вт -Рукавные микроГЭС, 1 – 2 к Вт -Бесплотинные ГЭС -ГЭС на канализационных стоках, реализована 1200 к Вт -ГЭС с ветроустановкой -Ливневые ГЭС
Направление ветра Рис. 1. Схематическое изображение гидроветроэнергетической установки
а
б Рис.2. Ливневая энергетическая установка при расположении емкости для дождевой воды в верхнем (а) и нижнем (б) положении
а
Рис.3. Ливневая энергетическая установка при выполнении емкости в виде бассейна: а – вид спереди; б вид сверху
а
б Рис.4. Ливневая энергетическая установка с двумя дополнительными емкостями при расположении первой емкости в верхнем положении (а) и расположении второй емкости в верхнем положении (б)
Локальные накопители энергии С Рис. 5. Гидроаккумулирующая установка
где ρ – плотность воды; V – объем погруженной в воду полой емкости; М – масса полой емкости; h – глубина погружения в воду полой емкости; g ускорение свободного падения.
Рис.5 а. Гидроэнергоаккумулирующая установка с герметичной емкостью
Выталкивающая сила, действующая на полую емкость 5 (фиг. 1,2) определяется выражением: F ж =ρ ж ×V, где ρж – плотность жидкости; V – объем полой емкости 5. В случае наполнения резервуара 1 водой, выталкивающая сила будет равна: F в =ρ в ×V, где ρ в – плотность воды. Поскольку ρ ж > ρ в, то и Так, например, при заполнении резервуара 1 глицерином с плотностью ρж =1266 кг/м 2 при плотности воды ρв =998,3 кг/м 2
При нахождении полой емкости 5 в нижнем положении (фиг. 1) энергия, запасаемая в аккумуляторе, определяется выражением: W ж =(ρ ж V-M)gh, где ρ ж – плотность жидкости; V – объем полой емкости; М – масса полой емкости; h – глубина погружения полой емкости. В случае заполнения резервуара водой (по прототипу) накопленная энергия будет равна W в =(ρ в V-M)gh, где ρ в – плотность воды. Тогда увеличение накопленной энергии по изобретению будет равно: ΔW= W ж - W в =(ρ ж -ρ в )gh>0. Если масса полой емкости 5 мала и ей можно пренебречь, то:
Следовательно, энергоемкость будет увеличиваться во столько раз, во сколько увеличивается выталкивающая сила
Например, насыщенный раствор хлористого натрия содержит 28,75% соли. При 26% соли и температуре 15 оС плотность раствора ρр составляет 1200 кг/м 3. Плотность воды ρ = 998,3 кг/м 3. Следовательно, коэффициент k = 1,2. Благодаря этому увеличивается запасаемая энергия, а изменение плотности раствора увеличивает выталкивающую силу, действующую на полую емкость.
Рис. 6. Гидроаккумулирующая установка при нахождении полой емкости в нижнем (а) и верхнем (б) положении
Рис.7. Гидроэнергоаккумулирующая установка
Рис. 8. Гидроэнергоаккумулирующая установка со шлюзом в виде двух камер
Некоторые результаты расчетов гидроэнергоаккумулирующей установки (магистрант Иванюкович А.А.) Габаритные размеры емкости : длина a= 3 метра; ширина b = 5 метров; высота h = 2 метра. V = 30 м 2 - объем емкости
Параметры шлюза - длина A= 3,3 метра; - ширина B = 5,5 метров; - высота H = 20 метров. Объем шлюза 363 м 3
Рис.1. Наполнение шлюза
Рис. 2. Наполнение емкости (сброс воды из емкости)
Потенциальная энергия поднятой емкости (без учета потерь): Средняя мощность данной установки: МВт Мощность, выдаваемая в сеть при опускании емкости: МВт Мощность, выдаваемая в сеть при подъеме емкости: МВт
Рис 3. Эффективность ГАЭУ в зависимости от соотношения высоты емкости к высоте шлюза
Рис. 4. Зависимость относительного увеличения средней мощности установки от относительного увеличения высоты шлюза
Мощность масштабной (приближенной к реальной) энергоустановки: - габаритные размеры емкости: длина a=5 метра ширина b = 30 метров высота h = 0,65 метров 2920 м 3 - объем емкости.
Параметры шлюза: - длина A=5,5 метра - ширина B = 33 метров - высота H = 30 метров 5445 м 3 - объем шлюза
Потенциальная энергия поднятой емкости (без учета потерь): Энергия, выделяемая при подъеме полой емкости за счет выталкивающей силы: МДж Средняя мощность данной установки: МВт Мощность, выдаваемая в сеть при опускании емкости: МВт Мощность, выдаваемая в сеть при подъеме емкости: 23.2 МВт
Рис. 9. Гидроаккумулирующая электростанция с резервуаром, прикрепленным к летательному аппарату легче воздуха
С abc Вг Вг Вд Вд ОГ С Вг Вг abc Вд Вд СПЧ ПСШ а б Рис.10. Схема обратимого генератора в режиме двигателя с реверсирующими выключателями (а) и дополнительным статическим преобразователем частоты (б)
Рис. 11. Схематичное изображение ветрогидроаккумулирующей электростанции
Трансформаторы с расширенными функциональными возможностями для распределительных систем передачи электроэнергии Рис. 12 Трансформатор с расширенным диапазоном регулирования +5 15%
Рис. 13. Трансформатор с расширенным диапазоном регулирования ±10%
ЦП +10%+5%0% 5% 10% Рис. 14. Зоны расстановки различных ответвлений трансформаторов в распределительной сети
Рис.15. Трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой и расширенным диапазоном регулирования
Некоторые аспекты проектирования ветроэнергетических установок и ветропарков в Республике Беларусь Общая характеристика условий для сооружения ветроэнергетических установок В целом по республике наибольшую продолжительность в часах за год ( час/год) имеет ветер со скоростью 4-8 м/с. Наиболее перспективными районами для развития ветроэнергетики являются северо-восточные и центральные районы, где среднемесячные скорости ветра превышают 5 м/с. Вся территория Республики Беларуси разделена на 5 регионов, высота которых изменяется от 100 до 350 м (таблица )
Таблица. Регионы на территории Республики Беларусь по силе ветра по данным государственной сети гидрометеорологических наблюдений Департамента по гидрометеорологии Показатели Характеристики регионов Высота над уровнем моря, м Всего Площадь региона, км Площадь для размещения ВЭУ, км Среднегодовая фоновая скорость ветра, м/с на высоте 10 м 2,9-3,23,2-3,43,5-3,63,7-3,94,0-4,2 Среднегодовая рас четная скорость ветра, м/с на высоте 100 м 5,2-5,65,7-6,06,1-6,36,4-6,76,8-7,0
Рис. 1. Средняя годовая скорость ветра в целом по Республике Беларусь по годам
По уровню мощности ВЭУ подразделяют на четыре группы: очень малой мощности, менее 5 к Вт; малой мощности, от 5 до 99 к Вт; средней мощности, от 100 до к Вт; 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. В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на ветрозарядные, гарантированного электроснабжения потребителя, негарантированного электроснабжения.
Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют на автономные, гибридные, работающие параллельно с энергосистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой), сетевые, работающие параллельно с мощной энергосистемой.
Некоторые самые распространенные схемы присоединения ВЭУ к электрической сети 1). Устройства потребителя питаются исключительно от ветроэнергетической установки Рис. 2. Ветрогенератор с блоком аккумуляторов
2). Электрогенератор в сочетании с резервным источником питания и автоматическим вводом резерва Рис. 3. Ветрогенератор с блоком аккумуляторов и резервный дизельгенератор
3) Ветрогенератор в сочетании с солнечными элементами Рис. 4. Гибридная автономная система солнце-ветер
4). Ветрогенератор в сочетании с электрической сетью и АВР Рис. 5. Ветрогенератор с блоком аккумуляторов и коммутация с сетью
Технические данные ветроустановок Единичная мощность серийно производимых ветроустановок возросла до 3 – 5 МВт. Диаметр ветроколеса ветроустановок мегаваттного класса составляет м, высота башни - 60 – 100 м и более (таблица).
Таблица. Основные технические и стоимостные показатели, единичные мощности ветроэнергетических установок, производимых в странах ЕС Тип ВЭУМощность, к ВтДиаметр ВК, м Высота оси ВК, м Уд. стоимость, евро/к Вт NM GE Wind Energy 3,6s Vestas V-90-3,0MW Fuhrlander FL Nordex N AN BONUS 2,3 MW/ LW E-66 Enercon NM 64C/ ECOTECNIA Fuhrlander FL NM 52/ Nordex n
Продолжение таблицы Тип ВЭУМощность, к ВтДиаметр ВК, м Высота оси ВК, м Уд. стоимость, евро/к Вт NM 48/ AN BONUS 600 kW/ LW VERGNET GEV 26/ Fuhrlander FL LW VERGNET GEV 15/ VERGNET GEV 10/ INCLIN 6000 neo INCLIN 3000 neo INCLIN 1500 neo
Промышленная ветроэнергетическая установка в Новогрудском районе 29 апреля 2011 года введена в эксплуатацию первая в Республике Беларусь промышленная ветроэнергетическая установка мощностью 1,5 МВт типа HW82/1500, произведенная китайской компанией HEAG (Huayi Elec. Apparatus Group Co., Ltd.). Высота мачты – более 80 метров Длина лопасти – 40 метров Гондола – 40 тонн. В ней расположен редуктор, генератор и вспомогательное оборудование Общий вес установки – более 200 тонн Номинальная мощность – 1,5 МВт. Начальная скорость ветра для включения ветряка – 3 м/с, предельная – 25 м/с Номинальная мощность достигается при скорости 11 м/с Перспектива- 12 МВт и далее 25 МВт
Рис. 6. Динамика изменения мощности ВЭУ в н.п. Грабники за сутки (данные на 4 ноября 2011 года
Принципиальные схемы подключения ветроэнергетических установок к сети
Рис. 7. Схемы подключения ветрогенераторов к сети
Рис.8. Радиальная схема соединений ветропарка на базе ВЭУ с синхронными генераторами
Рис. 9. Радиальная схема соединений ветропарка на базе ВЭУ с асинхронными генераторами с КЗ ротором
Рис. 10. Радиальная схема соединений ветропарка на базе ВЭУ с асинхронными или синхронными генераторами непостоянной частоты вращения и полным преобразованием вырабатываемой энергии
Рис.11. Вариант сложно разветвленной радиальной схемы ветропарка
Схемы расположения ветроэнергетических установок в ветропарках 1. Расположение ВЭУ в одном ряду Расстояние между соседними ВЭУ 3 -4 диаметра ветротурбины Диаметр ветротурбины 1,5 МВт – 84 метра 8 ВЭУ общей мощностью 12 МВт имеют протяженность 2352 метра, занимают площадь 0,2 квадратных километра
Рис. 12. Расположение ВЭУ в один ряд
2. Расположение ВЭУ в два ряда
Рис.13. Рекомендуемые минимальные расстояния между ветроагрегатами при расположении ВЭУ в два ряда
8 ВЭУ 1,5 МВт общей мощностью 8МВт занимать площадь не менее 0,508 км 2, т.е. примерно в 2,57 раза больше чем при расположении ВЭУ в один ряд (рис.12).
Рис. 14. Расположение ВЭУ в два ряда
Таким образом, с точки зрения занимаемой ветропарком площади, ВЭУ выгоднее расположить в один ряд.
Минимизация длины кабельных линий и потерь мощности в них Повышающий трансформатор 0,4/10 кВ необходимо расположить как можно ближе к ветроустановке. Асинхронный генератор ВЭУ 1,5 МВт типа HW82/1500 располагается в гондоле, которая находится на высоте примерно 82 м. Трансформатор 0,4/10 кВ целесообразно расположить на земле возле основания мачты ВЭУ (рис.15).
Рис. 15. ВЭУ 1,5 МВт и повышающий трансформатор 0,4/10
При расположении ВЭУ в два ряда повышающую подстанцию следует расположить в геометрическом центре ветропарка. При этом суммарная длина КЛ 10 кВ для присоединения трансформаторов ТМ-2500/10 к РУ 10 кВ, которое также будет располагаться в геометрическом центре ветропарка, составит L= =3460 метров (рис.16).
Рис.16. Схема расположения ВЭУ в 2 ряда для определения суммарной длины КЛ
Рис 17 Схема расположения ВЭУ в один ряд для определения суммарной длины КЛ 10 кВ
Таким образом, при расположении ветроустановок в один ряд суммарная длина КЛ 10 кВ будет примерно в 1,6 раза больше, чем при расположении в два ряда. Рис. 18. Электрическая схема подстанции ветропарка
Рис. 19. Структурная схема ветропарка
Таблица. Основные технико-экономические показатели ВЭС п/п Показатель Обозна- чение Ед. измерения Значен ие I. Энергетические показатели 1Установленная мощность ВЭСк Вт Единичная установленная мощность ВЭУ к Вт Количество ВЭУ в составе ветрового парка ВЭС ед.8 4Годовая выработка ВЭСк Вт·ч Годовое число часов использования установленной мощности ВЭС час
Продолжение таблицы п/п Показатель Обозна- чение Ед. измерения Значени е II. Стоимостные показатели 6 Оценочная проектная сметная стоимость (капиталовложения) ВЭС млн. у.е.24 7Удельные капиталовложения ВЭСу.е./к Вт Ежегодные издержки ВЭСмлн. у.е Себестоимость электроэнергии ВЭСу.е./(к Вт·ч) Оценочный относительный срок окупаемости при цене (тарифе) на электроэнергию ВЭС лет 2,5 1 Годовая экономия органического топлива тыс. т.у.т.9176
Экологические характеристики ветропарка Площадь изъятия земель под ветропарк составит примерно 0,508 км 2. Рис. 20. Зависимость снижения шума ВЭУ от расстояния
Таблица. Методы устранения негативного влияния ВЭУ на окружающую среду Факторы воздействия Методы устранения I. Изъятие земельных ресурсов, изменение свойств почвенного слоя Размещение ВЭУ на неиспользуемых землях. Оптимизация размещения - минимизация расхода земли Целенаправленный учет изменений свойств почвенного слоя Компенсационные расчеты с землепользо-вателями II. Акустическое воздействие (шумовые эффекты)Изменение числа оборотов ветроколеса (ВК) Изменение форм лопасти ВК Удаление ВЭУ от объектов социальной инфраструктуры Замена материалов лопастей ВК III. Влияние на ландшафт и его восприятие Учет особенностей ландшафта при разме-щении ВЭУ Рекреационное использование ВЭУ Изыскание различных форм опорных конструкций, окраски и т.д.
Продолжение таблицы Факторы воздействия Методы устранения IV. Электромагнитное излучение, телевидение и радиосвязь Сооружение ретрансляторов Замена материалов лопастей ВК Внедрение специальной аппаратуры в конструкцию ВЭУ Удаление от коммуникаций V. Влияние на орнитофауну на перелетных трассах и морскую фауну при размещении ВЭС на акваториях Анализ поражаемости птиц на трассах перелета и рыб на путях миграции Расчет вероятности поражения птиц и рыб VI. Аварийные ситуации, опасность поломки и отлета поврежденных частей ВК Расчет вероятности поломок ветроколеса, траектории и дальности отлета Оценка надежности безаварийной работы ВЭУ Зонирование производства вокруг ВЭУ VII. Факторы, улучшающие экологическую ситуацию Уменьшение силы ветра Снижение ветровой эрозии почв Уменьшение ветров с акваторий водоемов и водохранилищ
Благодарю за внимание