Буров В.Д. и др. Тепловые электрические станции

Подождите немного. Документ загружается.

16.3.

Ветроэнергетика

морей, океанов, в условиях устойчивых по времени потоков воздушных масс приме-

няются

ветроэнергетические установки

(ВЭУ) разной конструкции. Трехлопастные

ветряки с лопастями длиной до 50 м и высотой установки 70—100 м — в настоя-

щее время привычный элемент ландшафта во многих странах.

Ветроэнергетические установки можно разделить на агрегаты мощностью более

100 кВт, объединяемые в

ветроэлектростанции

(ВЭС) — ветропарки по зарубеж-

ной технологии, и менее мощные ВЭУ, которые работают автономно и обеспечива-

ют электроэнергией отдельные группы потребителей.

Ряд районов России является перспективным для использования ветроэнергетики.

Среди них можно в качестве примера выделить районы Байкальского региона,

в частности Ольханский район. Исходя из потенциала ресурсов ветра там выбраны

ветроагрегаты КБ «Радуга 6» с установленной мощностью до 6 кВт. Годовая выра-

ботка электроэнергии, приходящаяся на 1 км

, в указанном районе составляет 1,0—

1,9 млн кВт

•

ч.

Самая крупная в России ветряная энергоустановка, состоящая из 21 ветряка

общей мощностью 5 МВт, успешно работает в пос. Куликово Калининградской

обл.

(российско-датский проект).

В настоящее время создан новый тип ВЭУ для безветренной погоды, работающих

при скорости воздушного потока около 2 м/с (полный штиль). Они в 1,5 раза дешевле

лопастных ветродвигателей и имеют большую перспективу в условиях России.

К концу XX в. установленная мощность ВЭУ в мире достигла 6000 МВт, а до

2010 г. планируется ввод до 40 ГВт мощности на базе энергии ветра. Этому способ-

ствуют достижения ведущих энергетиче-

ских фирм Дании, Германии, Нидерландов,

США и других стран, создание ВЭУ еди-

ничной мощности, измеряемой сотнями

киловатт. Ожидается рост мощности таких

установок до 3—5 МВт за счет увеличения

длины лопастей и высоты башни. Для дос-

тижения мощности 5 МВт необходим

ротор ветряка с длиной лопастей около

150 м, а в собранном виде масса ВЭУ дос-

тигает 250 т. Ведущая в мире датская фирма

«Нордекс» сдала в эксплуатацию в Герма-

нии ВЭУ мощностью 2,5 МВт (рис. 16.5).

Минимальная скорость ветра, необходи-

мая для запуска ВЭУ, составляет 3—5 м/с.

Запуск происходит автоматически — по

сигналу датчика на вершине башни. При

скорости более 25 м/с турбины автоматиче-

ски отключаются.

Самую большую в мире ветроэлектро-

станцию стоимостью 2 • 10

евро устанавли-

вают возле мыса Трафальгар в Средиземном

море (Испания) для обеспечения электро-

Рис

165

ВЭ

у мощностью 2,5 МВт фирмы

энергией города с населением 2,5 млн чело- «Нордекс»

411

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

а) б)

Рис. 16.6.

Сопоставление

капсул традиционной

ВЭУ (в) и ВЭУ

Windpower (фирмы

АББ) (б):

1 —

редуктор;

2 —

асинхронный

генератор;

3 —

трансформатор;

4 —

статор

кабельной

обмоткой;

5 —

ротор

постоянным

магнитом;

6 —

несущая

мачта

(башня);

7 —

гондола

(капсула)

век. Комплекс состоит из 500 ветряков с лопастями длиной 54 м и предотвращает по-

падание в атмосферу 3,5 млн т вредных газов в год, что эквивалентно ассимиляции

этих газов 173 млн деревьев.

Замедление роста загрязнения атмосферы главным образом за счет ВЭУ наблю-

дается в Дании, Германии, Испании. Их внедрению в ряде стран предшествует соз-

дание ветровых кадастров, составление карт распределения ветроресурсов.

Конструктивная схема ВЭУ представлена на рис. 16.6. В ее традиционной схеме

(рис.

16.6, а) энергия ветра при его скорости

3—25

м/с (максимально допустимое

значение 60 м/с) передается через редуктор, асинхронный электрогенератор

к трансформатору, размещенным в гондоле установки.

Концепция ВЭУ Windpower (рис. 16.6, б), предложенная фирмой АББ, отлича-

ется от традиционной тем, что ротор генератора с переменной частотой вращения

и постоянным магнитом соединяется напрямую с ротором ветряка. При этом гене-

рируется переменный ток высокого напряжения (более 20 кВ), который затем пре-

образуется в постоянный. Группу из нескольких ВЭУ объединяют, и их энергия

по кабелям постоянного тока поступает к общему преобразователю, подключенному

к сети. Отказ от синхронного генератора и использование генератора высокого

напряжения упрощают капсулу ВЭУ, в которой отсутствуют: редуктор, устройство

плавного запуска, трансформатор. Первая ВЭУ этого типа мощностью 3 МВт

с трехлопастным ротором (длина лопастей 90 м) и высотой башни 70 м установ-

лена в Швеции. При среднегодовой скорости ветра 8 м/с производительность ее

составляет более 1700 кВт'ч/м

Фирмой «Сименс» разработана оригинальная ветрогенераторная система. В ней

вместо генераторов с высокой частотой вращения и независимым возбуждением,

которые связаны редуктором с ветряком, используется возбуждаемая от постоян-

ных магнитов многополюсная электрическая машина с низкой частотой вращения

прямого соединения. Оборудование связи нового типа между генератором и сетью

с использованием недорогих преобразовательных устройств обеспечивает опти-

мальную адаптацию переменного тока ВЭУ к переменным напряжениям сети. Сис-

тема имеет вдвое меньшую массу и практически неизменный по всему диапазону

частичной нагрузки КПД, составляющий около 90 %. Значительно сокращен объем

технического обслуживания из-за отсутствия редуктора.

В состав ветроэлектростанции входят сама ВЭУ, размещенная на железобетон-

ном фундаменте, распределительное устройство генераторного напряжения, повы-

шающие трансформаторы, открытое распределительное устройство, устройства

412

16.3.

Ветроэнергетика

Рис. 16.7. Изменение мощности ВЭУ типа

Р-250

в зависимости от скорости ветра:

, w

— скорость ветра соответственно средняя в

данном районе, обеспечивающая наибольшую выра-

ботку мощности и номинальная для данной ВЭУ

связи и сигнализации, служебное здание

с центральным пультом управления и др.

Мощность ВЭУ, кВт, можно вычислить

по формуле

Л'ВЭУ

КВТ

300

•^ВЭУ

200

100

ВЭУ

XAw

- 10"

м/с

(16.3)

где А, ~ 0,2 — приведенный коэффициент эффективности ветроагрегата, имеющий

тенденцию к росту с повышением совершенства этого агрегата; А — площадь оме-

таемой поверхности ветроколеса, м

; w — скорость ветра, м/с.

На рис. 16.7 приведено изменение мощности ВЭУ типа Р-250 в зависимости

от скорости ветра, а на рис. 16.8 — общий вид и основные размеры российских

ВЭУ типов Р-250 и Р-1000.

413

Глава 16.

НОВЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ЭНЕРГИИ

Различают скорости ветра: среднюю для данного района w

обеспечивающую

наибольшую годовую выработку электроэнергии w

и номинальную для конкрет-

ной ВЭУ w

, позволяющую обеспечивать расчетную мощность.

При необходимости создают гибридные энергетические установки, состоящие

из ВЭУ и дизель-генераторов (ДГУ). Такие ветродизельные электростанции рабо-

тают с максимально возможным использованием энергии, вырабатываемой ВЭУ,

и с включением ДГУ по признаку недостаточности мощности.

Для аккумулирования энергии ветра в часы минимума нагрузки в энергосистеме

или при прекращении выработки электроэнергии на ВЭС в безветренную погоду

можно совместить их работу с эксплуатацией ГЭС или ГАЭС.

При строительстве ВЭУ преимущество имеют установки, размещаемые в при-

брежных районах, где среднегодовая скорость движения воздушных масс выше,

чем на суше, турбулизация воздушных потоков меньше из-за особенностей рельефа

местности. В этих районах проще решаются задачи отчуждения земель и звукового

воздействия на окружающее пространство. Преимущество имеют районы, гранича-

щие с морями и океанами. Иногда для ВЭУ используют площади прибрежного

мелководья, устанавливают их на расстоянии до 10 км от берегов на глубинах

акватории до 25 м.

Основными недостатками мощных ВЭС, состоящих из сотен крупных или

тысяч мелких ВЭУ, являются необходимость отчуждения довольно больших

площадей земли, нарушение традиционного ландшафта, звуковые воздействия

на окружающую среду, нарушение путей миграции птиц и др. Для уменьшения

шума вращающихся роторов ВЭУ их лопасти специально профилируются с суже-

нием к концу, а капсула ВЭУ (см. рис. 16.6) имеет необходимую звукоизоляцию.

Уровень шума в непосредственной близости от установки мощностью 1 МВт

составляет до 100 дБ.

16.4.

Солнечная

энергетика

Солнечное излучение, достигающее Земли, характеризуется невысокой плотно-

стью,

не превышающей 1 кВт/ м

. В зависимости от места, времени суток и погоды

солнечная энергия у Земли изменяется от 3 до 30 МДж/м

в день. При этом учиты-

вается как прямое, так и рассеянное атмосферой солнечное излучение.

Самые южные районы России расположены севернее 42-й параллели, поэтому

возможности использования солнечной энергии в стране ограничены. Это не мешает

за счет нее получать определенную экономию органического топлива.

Энергию Солнца можно использовать в целях теплоснабжения — для подогрева

воды, воздуха. Эта область ее применения наиболее очевидна и широко распро-

странена.

Другим вариантом является использование солнечной энергии на солнечных

электростанциях (СЭС) различных модификаций:

применяющих расположенные на больших площадях и следящие за Солнцем

зеркала, отражающие солнечные лучи на контрольную башню, где размещен спе-

циальный парогенератор. Примером их может служить экспериментальная Крым-

ская СЭС мощностью 5 МВт;

414

16.4.

Солнечная

энергетика

состоящих из множества концентраторов плоской или изогнутой формы с кол-

лекторами, в которых находится испаряющаяся жидкость. Каждый концентратор,

независимо следящий за Солнцем, передает солнечную энергию жидкости — теп-

лоносителю, которая собирается в главном корпусе СЭС, где в соответствии с цик-

лом Ренкина работает паросиловая установка. В этом, как и в первом, случае кон-

центрация солнечной энергии позволяет получать достаточно высокие температу-

ры для генерации пара, который направляется в паровые турбины, совмещенные с

электрогенераторами;

представляющих собой фотоэлектрические установки с прямым преобразова-

нием солнечного излучения в электроэнергию с помощью фотоэлектропреобразо-

вателей (ФЭП). Эти СЭС наиболее перспективны.

В основе ФЭП лежит кремний, запасы которого неистощимы — земная кора

на 30 % состоит из его соединений. Чистый кремний используется при изготовле-

нии микрочипов, технология его получения и обработки совершенствуется с каж-

дым годом. Цена его пока высока — от 40 до 100 долл. за 1 кг кремния, пригодного

для ФЭП.

По данным РАО «ЕЭС России», в мире происходит активный рост производства

ФЭП, который составил за последние 5 лет 30 % (США, Япония, Германия и др.).

Метод с использованием ФЭП позволяет создавать фотоэлектрические станции

(ФЭС) различной мощности путем добавления или отключения отдельных моду-

лей. Эти электростанции имеют малый расход электроэнергии на собственные

нужды, на них легко можно осуществлять автоматизацию технологического про-

цесса, они безопасны в эксплуатации и обладают высокой надежностью. При КПД

солнечных элементов 15—20 % удельная выработка электроэнергии достигает

300 кВт

•

ч/год на 1 м

площади поверхности солнечных элементов.

В НПО «Астрофизика» изготовлены, а в ОАО «Ставропольэнерго» (г. Кисло-

водск) испытаны автономные и блочные СЭС мощностью до 5 кВт с использова-

нием параболических концентраторов с металлическими зеркалами диаметром 5

и 7 м. Установки оснащены автоматическими системами слежения за Солнцем.

Более мощные СЭС этого типа проектируются для размещения в г. Кисловодске

и Ростове-на-Дону.

Первая энергосистема, объединяющая ФЭС, была построена в 1984 г. в США,

имела проектную мощность 2,3 кВт и общую площадь поверхности элементов

3000 м

. Для ФЭС мощностью до 10 МВт задачей является снижение себестоимо-

сти солнечного электричества до 10—12 центов за 1 кВт-ч. Подсчитано, что 1 кг

кремния на такой ФЭС за 30 лет может выработать 300 МВт

•

ч электроэнергии.

Большие спортивные парусные яхты, на которых яхтсмены совершают круго-

светные путешествия, по степени технической оснащенности соперничают с со-

временными авиалайнерами, потребляя значительное количество электроэнергии.

Эта электроэнергия вырабатывается дизель-генераторами, а также вспомогатель-

ными средствами — ветрогенераторами и комплектом солнечных батарей-фото-

электропреобразователей, установленных на палубе. Это позволяет использовать

энергию ветра и солнца для подзарядки бортовых аккумуляторов.

Системы солнечного теплоснабжения (гелиоустановки) бывают пассивными

и активными. Простые и дешевые пассивные системы — «солнечные дома» —

не требуют дополнительного оборудования, так как для сбора и распределения

солнечной энергии здесь используются архитектурные и строительные элементы

415

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

здания. Солнечная радиация нагревает стены, чаще зачерненные и обращенные

на юг, а воздух, омывающий их, нагревается и поступает в помещения здания. Цир-

куляция воздуха организуется за счет естественной конвекции или осуществляется

с помощью вентиляторов.

Активные системы солнечного теплоснабжения обладают большими возмож-

ностями, а при наличии специального оборудования эти возможности и область

применения их расширяются. Основным элементом такой системы является сол-

нечный коллектор. Он преобразует солнечное излучение в теплоту, передаваемую

теплоносителю, который циркулирует в коллекторе. В систему входят также акку-

муляторы, выполняемые в виде емкостей (баков), заполненных аккумулирующим

теплоту веществом (обычно водой). На 1 м

площади поверхности солнечного кол-

лектора приходится в среднем 0,1 м

вместимости бака-аккумулятора.

Активные системы солнечного теплоснабжения оборудуют дублирующим

источником теплоты (водогрейными котлами на органическом топливе, электрона-

гревательными котлами), который полностью обеспечивает объекты теплотой при

недостатке или отсутствии солнечной радиации.

На рис. 16.9 приведен график качественного изменения характеристик гелио-

установки и объекта теплоснабжения в течение года. Из рисунка видно, что тепло-

вая мощность установки возрастает летом с увеличением площади поверхности

солнечных коллекторов А, а тепловая нагрузка объекта снижается. Это обосновы-

вает применение аккумулирующих систем. Естественно, зимой тепловая мощность

теплоустановки не обеспечивает полное снабжение объекта теплотой, поэтому тре-

буется включение дублирующего источника — котельной.

В солнечных коллекторах в качестве теплоносителя используют воду, раствор

этиленгликоля, органические вещества, воздух. Каждый из этих веществ имеет

свои преимущества и недостатки, а предпочтение отдают незамерзающим жидко-

стям или воде в зависимости от района размещения установки.

Тепловые схемы солнечного теплоснабжения работают по прямоточной

(рис.

16.10) или замкнутой (рис. 16.11) схеме движения теплоносителя. В первом

случае после солнечного коллектора теплоноситель поступает непосредственно

к потребителю теплоты или в бак-аккумулятор. К системе подключают и дубли-

рующий источник — котельную.

В замкнутых схемах имеется промежуточ-

ный контур, и их варианты выбирают в зависи-

мости от характера отопительной нагрузки, типа

потребителя, климатических условий и др.

В гелиоустановках применяют фокусирую-

щие или плоские солнечные коллекторы. Пер-

вые нагревают теплоноситель до 100—300 °С,

но при этом воспринимают только прямую

составляющую солнечной радиации, тогда как

диффузная ее составляющая может достигать

Рис. 16.9.

Изменение тепловой

нагрузки

объекта

теп-

лоснабжения

тепловой мощности

гелиоустанов-

ки 2

зависимости

от

времени

года

при

различной

площади поверхности

солнечных

коллекторов

416

16.4.

Солнечная

энергетика

Рис. 16.10.

Принципиальные схемы

прямоточных

систем:

/ —

солнечный

коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 —

теплообменник

®—

—®—

€>—

1 L

€r-

Отопление

Рис. 16.11.

Принципиальные схемы замкнутых

систем:

обозначения

те же, что на рис. 16.10

Рис. 16.12.

Поперечный

разрез

плоского

солнечного

кол-

лектора:

1 — корпус; 2 — изоляция; 3 —

поглощающая

поверхность;

4 —

прозрачное покрытие

в северных широтах 40 % суммарной радиации. Эти коллекторы вдобавок заметно

дороже, что обусловливает преимущественное применение плоских солнечных кол-

лекторов (термин «плоский» имеет условный характер). В них можно выделить сле-

дующие элементы (рис. 16.12): прозрачное покрытие 4, изоляцию 2 для уменьше-

ния тепловых потерь, поглощающую поверхность 3 и др.

Бульшая часть солнечной радиации поглощается поверхностью, и определенная

ее доля передается теплоносителю, тогда как остальная теряется при теплообмене

с окружающей средой. КПД солнечного коллектора, представляющий собой отно-

шение полезной энергии, полученной коллектором, к падающей на плоскость кол-

лектора энергии солнечного излучения, по данным испытаний изменяется в преде-

лах

Т|

= 0,2+0,8 в зависимости от конструктивных и климатических факторов.

Южнорусской энергетической компанией (г. Краснодар) организовано солнеч-

ное теплоснабжение ряда объектов. В санаторном комплексе г. Сочи (рис. 16.13)

таким образом обеспечивается отопление группы лечебных корпусов и других

417

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 16.13.

Схема

компоновки гелиоустановок санатория

в г.

Сочи:

1 и 3 —

спальные

корпуса;

2 —

клубный

корпус;

4 —

лечебный

корпус;

5 —

столовая;

6 —

плава-

тельный

бассейн;

7 —

дачный

корпус;

777, ЦТП —

тепловые

пункты;

Т—

теплоноситель

помещений. Гелиоустановка состоит из 260 солнечных коллекторов общей площа-

дью 156 м

(первая очередь). Эти коллекторы размером 0,6x1,0x0,1 м имеют сталь-

ные теплопоглощающие панели, окрашенные черной эмалью, стекло толщиной

4 мм, теплоизоляцию из полистирола, облицованного оцинкованной сталью. Они

устанавливаются на плоской кровле зданий под углом 45° с ориентацией на юг.

В зависимости от потребления горячей воды могут быть задействованы все сол-

нечные коллекторы или их часть. Догрев воды после гелиоустановки при пасмур-

ной погоде в течение продолжительного периода и в зимнее время осуществляется

в катодных электрокотлах ЭВК-45 мощностью по 45 кВт.

Опыт многолетней эксплуатации теплоустановок показал, что основные затраты

(до 60 %) приходятся на приобретение и монтаж солнечных коллекторов, а использо-

вание электрокотлов в качестве дублирующего источника теплоты не приводит

к существенному увеличению срока окупаемости.

В г. Таганроге проведено испытание гелиоустановки с воздушными солнечны-

ми коллекторами без системы аккумулирования для отопления промышленных

зданий (рис. 16.14). Наружный воздух, всасываемый вентилятором, пропускается

через солнечные коллекторы гелиоустановки и по каналам в строительных конст-

рукциях здания распределяется по отапливаемым помещениям. Дублирующим

устройством может служить калорифер дополнительного нагрева воздуха. В поме-

щениях организуются его очистка и рециркуляция.

Солнечная энергия используется также в Бурятии, где годовая продолжительность

солнцестояния составляет до 2500 ч (число солнечных дней в году достигает 170).

Гелиоустановки особенно эффективны при замене электронагревательных систем

в удаленных районах республики.

Эффективно использовать солнечное излучение можно для повышения мощности

или экономии топлива в ПГУ с котлом-утилизатором. Через солнечные элементы,

работающие по принципу прямоточного парового котла, пропускают часть питатель-

418

16.4.

Солнечная

энергетика

Вентилятор

Наружный

воздух

Воздушные солнечные коллекторы

(7=EL / / /

Г7~Г7

^///////k

^A-JJ (J Калорифер

Рециркуляция

^ ^7

Приточный воздух, 25—45 °С

Рис. 16.14. Гелиоустановка с воздушными солнечными коллекторами

без системы аккумулирования

Поле солнечных элементов

1050 м .

}•{

600 м

Вырабатываемый на поле

солнечных элементов пар

Рис. 16.15. Принципиальная тепловая схема

ПГУ с использованием солнечной энергии

ной воды паротурбинной установки ПГУ, и в них генерируется пар. Из-за низких

параметров его направляют в ЧНД паровой турбины. Это позволяет снизить мощ-

ность энергетической ГТУ и сократить расход потребляемого топлива (режим топли-

восбережения). Получаемый в солнечных элементах пар можно использовать и для

покрытия пиковой электрической нагрузки в районах, где ее время совпадает с вре-

менем интенсивного солнечного излучения (режим повышения мощности). При

неизменных затратах топлива такой режим позволяет повысить выработку электро-

энергии в «богатых солнцем» районах до 40 %. На 100 МВт установленной мощно-

сти необходима площадь поверхности солнечных элементов 0,6 км

(рис. 16.15).

419

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В жаркой безжизненной пустыне американского штата Невада специалисты

энергетики разместили

19 300

солнечных коллекторов, собирающих лучи

помо-

щью параболических зеркал

направляющих

их на

трубы,

по

которым течет масло.

Оно,

свою очередь, разогревается

до 400 °С и

затем

теплообменниках доводит

воду

до

кипения; отсепарированный

пар

приводит

действие паровую турбину

ТЭС мощностью

64 МВт.

Уникальная энергетическая установка Nevada Solar

One

обеспечивает электроэнергией

40 тыс.

коттеджей.

Это

обходится дешевле,

чем в

слу-

чае преобразования солнечной энергии

электрическую

помощью фотоэлемен-

тов,

так как КПД

такой установки заметно выше.

Имеются разработки, позволяющие сочетать

два

вида

АИЭ:

геотермальную

и солнечную энергии. Система GesotermS (Германия) состоит

из

гелиоустановки

и геотермального глубинного зонда

(рис.

16.16).

Зонд представляет собой систему «труба

трубе»

(рис.

16.16,

б),

опущенную

на глубину около 5000

м.

Гелиоустановка работает

солнечные

дни

(преимущест-

венно летом),

геотермальный зонд

— в

течение остальной части года.

обычных

геотермальных установках необходимы

по

крайней мере

два

типа скважин

срав-

Солнечный

коллектор

а)

Рис.

16.16. Конфигурация источника возобновляе-

мой энергии GesotermS для выработки электроэнер-

гии и теплоты («), глубинный зонд (б):

ЦРОТ — цикл Ренкина на органическом теплоносителе

(аммиак, пропан); Кн — конденсатор; Г — тепловой

буфер; Н — насос

Бетонит

Вода

Воздух

Внешняя труба

Изоляция

Внутренняя труба

LILLIILLLIIIIL

Внешняя труба

Я-ДИ Изоляция

J -Ни Внутренняя труба

У [Геоте

энергия

ермальная

420