Экодом - GREEN HOUSE » Энергообеспечение

Методика оценки и выбора конструкции ВЭУ для работы в локальных сетях принципиально отличается от методики оценки ВЭУ для работы в объединенных (единых) сетях (фото: журнал ENERGY FRESH)

Велика страна Россия. Много в ней дальних уголков, где электричество по цене воды в пустыне. По оценкам экспертов, общая численность жителей России, которые проживают в зонах децентрализованного и дефицитного централизованного энергоснабжения превышает 25 млн. человек. В 2009 году в районы Крайнего севера и приравненные к ним местности завезли около 4 млн. тонн топлива на сумму более 100 млрд. рублей. Стоимость электроэнергии, получаемой таким способом, превышает 20, а то и 50 рублей. И над этими бескрайними просторами свободно гуляет ветер...

Цель и задачи применения ветроэлектрических установок (ВЭУ) в локальной энергетике

Идея использования ветроэлектрических установок в локальных сетях базируется на трех тезисах.  Во-первых, это экономия средств. В удаленных районах северных территорий и Дальнего Востока население платит 2-3 рубля за 1 кВт*час, что составляет около 10% его реальной стоимости. Остальные затраты энергоснабжающей организации компенсирует региональный бюджет. Во-вторых, это экология. Замещение «зеленым» генератором 1 млн. кВт*ч  электроэнергии не позволит «вылететь» из трубы дезельного агрегата много тонн СО, двуокиси и окиси азота, золы и пыли. В-третьих, это комфорт и качество жизни, что не возможно себе представить без надежного энергоснабжения и чистого воздуха.

Экономика применения ВЭУ в составе локального энергокомплекса

В основе экономики проекта по внедрению ветроэлектрических установок в составе ЛЭК лежит эффект «замещения» стоимости  электроэнергии, вырабатываемой дизель-генератором, которая составляет 10-20 рублей за 1 кВт*час. Важным фактором для оценки экономики проекта является классический критерий  - «Срок окупаемости проекта». Для «широты картинки» мы произвели расчеты исходя из сроков окупаемости проекта от 5 до 20 лет.

Третей базовой величиной для расчетов является ветропотенциал места и,  связанная с ним, величина  КИУМ (коэффициент использования установленной мощности). Эксперты оценивают ветропотенциал  Мурманской и Архангельской областей, Камчатского края и Сахалина на уровне 25% и выше. КИУМ на площадке ветропарка на о.Русский (г. Владивосток) превышает 30%.

Проведенные экономические расчеты по нескольким вариантам зависимости окупаемости проекта от величины КИУМ и цены электроэнергии позволяют сделать следующие выводы.

1. Экономические показатели проекта подтверждают  целесообразность создания ЛЭК в составе ДЭС и ветроэлектрических установок. Даже если КИУМ ветроэлектрических установок будет составлять около 10%, то стоимость электроэнергии ветроэлектрических установок позволит сократить общую себестоимость электроэнергии и, соответственно, сократить расходы  бюджета на компенсацию затрат энергоснабжающей организации.

2. Для создания ЛЭК возможно привлечение частных инвестиций или банковское финансирование. Для предоставления гарантий инвестору окупаемости проекта на уровне 5-67 лет необходимо использовать договор покупки электрической энергии от ветроэлектрических установок по фиксированной цене. Возможно использование энерго-сервисных договоров, суть которых закреплена в ФЗ №261 от 23 ноября 2009 года.

3. Инвестиции из муниципального (регионального) бюджета в проекты со сроком окупаемости до 20 лет позволят значительно сократить бюджетные расходы в долгосрочной перспективе, связанные с энергоснабжением.

4. Замещение электроэнергии ДЭС с помощью установки ВЭУ позволит сократить  выбросы  в атмосферу твердых веществ, диоксида серы, оксида азота, углекислого газа,  что существенно улучшит экологическую обстановку в данном районе.

Особенности применения ветроэлектрических установок в составе ЛЭК

Методика оценки и выбора конструкции ветроэлектрических установок для работы в локальных сетях принципиально отличается от методики оценки ветроэлектрических установок для работы в объединенных (единых) сетях. Для  «локальной» ветроэлектрической установоки основным критерием эффективности является процент замещения топливной генерации и себестоимость производства электроэнергии в ЛЭК.

Существенный экономический эффект и экологическая польза возможна при замещении более 50% электроэнергии выработанной ДЭС. Из этого предположения вытекают требования к проектированию ЛЭК.

1. Дизельные генераторы в составе ЛЭК должны выполнять вспомогательную роль по отношению к ветроэлектрической установоке и иметь возможность управлять собственной нагрузкой для минимизации расхода топлива.

2. Система управления ЛЭК должна решать задачи оптимизации нагрузки ветровых и дизельных генераторов, а также задачу компенсации колебаний величины энергии, получаемой из потока воздуха.

3. Идеология проектирования ЛЭК должна включать элементы управления нагрузкой потребителей.

4. В составе ЛЭК необходимо предусмотреть использование нагрузки, потребляющей «некачественную» электроэнергию (частота, мощность, временной режим).

Из рисунка 1 видно, что мощность, развиваемая генератором ветроэлектрической установки во время пиковых значений скорости ветра, существенно превышает уровень потребления и ее использование становится отдельной проблемой.

Избыточную энергию во время сильных ветров можно использовать для ряда целей, например для подъёма воды из артезианских скважин и закачки её в накопители, обессоливания воды, разогрева тепловых накопителей и т. п. Накопление воды и тепла не требуют значительного количества энергии. Поэтому возможно использование только части избыточной энергии ветра.

Особенности конструкции ВЭУ для локальных сетей

Локальные сети, находящиеся на территории России, большую часть времени будут работать при ветрах в диапазоне малых и средних значений.

Основную роль в расчётах по оптимизации играет коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) ветроэлектрической установки с учётом фактического использования выработанной ветроэлектрической установкой энергии. Этот КИУМ зависит как от соотношения коэффициента мощности ветроколеса (Ср) и  скорости ветра (см. рис. 2а), так и от КПД генератора, который в свою очередь зависит от его загрузки по мощности (см. рис. 2б).

Из этих рассуждений следует, что ветроэлектрическая установка в составе ЛЭК должна иметь  максимальные значения коэффициента Ср в диапазоне наиболее часто встречающихся в данной местности скоростей ветра, а суммарное количество ветроэлектрических установок (суммарная площадь ветроколёс ВЭУ) должно выбираться исходя из наиболее часто повторяющихся значений потребляемой мощности в локальной сети. При этом установленная мощность генераторов ВЭУ должна выбираться также исходя из условия максимизации показателя КПД на тех значениях потребляемой мощности, которые наиболее часто  повторяются в данной локальной сети. Из этого следует, что количество ветроэлектрических установок в локальной сети и удельная номинальная мощность генераторов ВЭУ, приходящаяся на единицу площади ветроколеса, также неразрывно связаны с фактическим использованием выработанной ветроэлектрической установкой энергией,  величиной и распределением скорости ветра.

Избыточная установленная мощность ветроэлектрической установки только ухудшает экономику системы, а увеличение размера ветроколеса способствует улучшению экономических показателей.

Анализ изложенной ситуации, проведенный специалистами ООО «НПП «Новый Ветер», позволяет сделать вывод, что, с учётом рекомендаций Международного стандарта ISO 61400-1 Wind turbines – Part 1: Design requirements (MOD) подход к выбору основных характеристик и параметров ВЭУ, должен быть скорректирован в сторону увеличения площади ветроколеса, приходящейся на единицу установленной мощности. Чем выше  планируемый процент замещения топливной составляющей, тем большая суммарная площадь ветроколес ветроэлектрической установки должна приходиться на единицу установленной мощности сети, и это увеличение должно быть тем более, чем ниже среднегодовая скорость ветра в районе установки ВЭУ.

Вторым ключевым фактором оценки  ветроэлектрической установки для локальных сетей являются ее весовые характеристики и габариты. С учетом того, что населенные пункты, где возможно создание ЛЭК в составе ДЭС и ВЭУ находятся на далеком расстоянии от федеральной транспортной инфраструктуры и имеют значительные ограничения по дорогам, мостам и переправам, основные параметры ВЭУ будут ограничиваться весовыми характеристиками подъемного крана, необходимого для монтажа ветроэлектрической установки. Грузоподъемность крана определит и  предельные размеры  ветроэлектрической установки.

Предложенный подход к определению требований к ветроэлектрической установке для локальных сетей позволил специалистам компании ООО «НПП «Новый Ветер» по новому подойти к выработке общего дизайна ВЭУ для использования в составе ЛЭК и подготовить технический проект по серийному производству типового ряда ВЭУ средней мощности от 100 до 500 кВт.

Проект «Новый Ветер – локальные сети»

Проект «Новый Ветер – локальные сети» предполагает организацию производства ВЭУ мощностью от 100 до 500 кВт для локальных сетей. Проект разработан как гибкий инструмент, позволяющий оптимально подойти к выбору параметров ветроэлектрической установки для конкретного района применения.

Система управления ветроэлектрической установкой позволяет служить системой верхнего уровня в  ЛЭК и выдавать команды на запуск и остановку дизельных генераторов,  осуществлять дистанционный контроль за работой ВЭУ, а при необходимости и осуществлять управление нагрузкой потребителей.

Весовые характеристики и габариты агрегатов типового ряда ВЭУ «Новый Ветер – локальные сети» позволяют осуществлять доставку агрегатов и грузоподъёмной техники в районы со значительными транспортными ограничениями.

Конкурентные преимущества ветроэлектрической установки:
- высокий КИУМ за счёт оптимизации алгоритмов управления;
- увеличение КПД ВЭУ за счёт конструкции мультипликатора;
- сокращение сроков и затрат на монтажные работы;
- простота в обслуживании и снижение эксплуатационных затрат;
- соответствие конструкции российским климатическим условиям.

Проектная стоимость электроэнергии и годовая выработка ветроустановок типового ряда 100…500 кВт конструкции «Новый ветер» приведены на  рисунках 3 и 4.

Специалистами ООО «НПП «Новый Ветер» разработан проект действующей модели ЛЭК на основе ВЭУ «Радуга R16-10» с синхронным генератором 16 кВт, номинал которого оптимален для обеспечения максимального КПД при ветре 5…8 м/с в работе с ветроколесом диаметром 10 м (см. рис. 5).

Дизель-электрическая установка (ДЭУ), работающая с Радугой R16-10, выполняет вспомогательную роль при недостаточной силе ветра, что соответствует предложенному выше принципу обеспечения замещения топливной составляющей более 50%. Так же, как и установки по проекту «Новый Ветер» мощностью 100…500 кВт, Радуга R16-10 для достижения наивысшей эффективности снабжена контроллерным управлением, поворотными лопастями (pitch control) и автоматикой для выдачи команд включения и остановки ДЭУ, что позволяет потребителю максимально полно использовать имеющийся ветропотенциал и получить экономию топлива, смазочных материалов и т. п.

Российское машиностроение сохранило технологии и оборудование, необходимые для производства ветроэлектрических установок. Развитие ветроэнергетики в стране сформирует спрос на новую продукцию машиностроительного и электротехнического комплекса, позволит создать новую отрасль промышленности – ветроэнергетическое машиностроение.

Реализация проекта «Новый ветер – локальная энергетика» позволит проектировать в России локальные энергетические комплексы в составе ДЭС и ВЭУ с высокой степенью замещения топливной энергии, имеющих АСУ с дистанционным контролем, способную оптимизировать загрузку электрических генераторов, управлять нагрузкой с целью сглаживания относительно высокочастотных пульсаций энергии от ВЭУ. Эксплуатация таких комплексов сэкономит миллионы тонн топлива, улучшит экологию и обеспечит  экономическое развитие регионов.
 

Статья опубликована в журнале ENERGY FRESH