Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ветроэнергетические установки 13
1.1 Расчет потенциала энергии ветра 13
1.2 Обзор современных ветроустановок и их характеристик 18
1.3 Влияние ветроустановок на окружающую среду 24
1.4 Типы ветроустановок 27
1.4.1 Ветроустановки с горизонтальной осью вращения 27
1.4.2 Ветроустановки с вертикальной осью вращения 28
1.5. Концентраторы ветрового потока 31
1.5.1. Типы концентраторов 31
1.5.2 ВЭУ канального типа 35
1.5.3 Методика расчета ветровой установки канального типа 37
1.6 Использование энергии ветра 44
1.6.1 Производство электрической энергии 44
1.6.2 Производство различных энергоносителей на базе ВЭУ 47
1.6.3 Сжатие воздуха 48
1.7. Выводы по главе 1 49
Глава 2. Использование сжатого воздуха как альтернативного энергоносителя в промышленной энергетике 50
2.1 Сферы применения сжатого воздуха 50
2.2. Потребители сжатого воздуха 51
2.3. Классы загрязненности сжатого воздуха. 53
2.4. Устройства очистки воздуха 57
2.5. Способы осушки воздуха 58
2.6. Энергетические показатели работы компрессорных установок 60
2.7. Охлаждение воздуха и утилизация тепла 62
2.8. Сравнение вариантов производства сжатого воздуха по традиционной
схеме и с непосредственным приводом компрессора от ветроустановки 64
2.9. Выбор компрессора для совместной работы с ветроустановкой 66
2.10. Совместная работа компрессора и ветроустановки 71
2.11. Выводы по главе 2 78
Глава 3. Аккумулирование энергии ветра 79
3.1. Потребление и производство сжатого воздуха 79
3.2. Типы энергоаккумулирующих систем 82
3.3. Расчет емкости аккумулятора сжатого воздуха 86
3.4. Работа воздушного аккумулятора в зависимости от режимов потребления/генерации энергии ,, .92
3.5. Выводы по главе 3 , 93
Глава 4. Использование энергии ветра для целей теплоснабжения автономных потребителей 95
4.1. Потребление тепловой и электрической энергии на коммунально-бытовые нужды в северных регионах России 95
4.2. Современные схемы систем тепло- и электроснабжения на традиционном топливе 100
4.2.1. Электроснабжение от дизель-генератора и теплоснабжение от водогрейной котельной 100
4.2.2. Обеспечение электроэнергией от дизель-генератора и теплом от электрокотельной 102
4.2.3. Электроснабжение от дизель-генератора, теплоснабжение от утилизатора тепла ДЭС и пиковой водогрейной котельной 104
4.3. Схемы тепло- и электроснабжения на базе энергии ветра 106
4.3.1. Схема теплоснабжения потребителя на базе ветроэлектрической установки с использованием электрокотельной 106
4.3.2. Схема системы электро- и теплоснабжения с использованием ветроэлектрической установки с водогрейной котельной 108
4.3.3. Система тепло- и электроснабжения на базе ветроэлектрической установки и электрокотельной 115
4.3.4. Схема системы электро- и теплоснабжения автономного потребителя с использованием ветротеплонасосной энергоустановки 118
4.3.5. Экономическая оценка систем тепло- и электроснабжения автономного потребителя с помощью ветротеплонасосной и ветроэлектрической установок 123
4.3.5.1. Капитальные затраты 123
4.3.5.2. Затраты на топливо 125
4.3.5.3. Затраты на ремонтное обслуживание 127
4.3.5.4. Амортизация 127
4.3.5.5. Сравнение вариантов тепло- и электроснабжения 129
4.3.6. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки 131
4.3.7. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветро-воздушной теплонасосной установки с использованием парокомпрессионного теплонасосного цикла 134
4.3.8. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной 137
4.4. Сопоставление различных схем тепло- и электроснабжения на базе традиционного топлива и энергии ветра. 145
4.5. Выводы по главе 4 , 146
Выводы по работе 148
Список используемой литературы
- Влияние ветроустановок на окружающую среду
- Энергетические показатели работы компрессорных установок
- Расчет емкости аккумулятора сжатого воздуха
- Электроснабжение от дизель-генератора и теплоснабжение от водогрейной котельной
Введение к работе
В настоящее время более чем 70% территории России с населением около 22 млн. человек не охвачены системой централизованного энергоснабжения. Это небольшие поселки, малые города, удаленные друг от друга на значительные расстояния, появление которых вызвано освоением месторождений полезных ископаемых. Значительная часть этих территорий находится на севере Российской Федерации. Плотность населения европейского Севера составляет 3,5 чел./км2 [1].
Северные районы РФ характеризуются:
суровыми природно-климатическими условиями;
удаленностью от развитых центральных районов;
слабым развитием дорожно-транспортной сети.
На севере, зимний период длится 7-9 месяцев, а отопительный период - до года [2]. Среднегодовые температуры достигают значений ^=-13,4С (г.
Тикси) [3], расчетная температура для отопления - го^=-60С (г, Оймякон),
минимальная температура воздуха доходит до -71С (г. Оймякон). При этом до 70...80 % топлива приходится на долю теплоснабжения [4]. Для значительной части территории характерны сильные ветры, которые затрудняют работу на открытом воздухе и увеличивают тепловые потери зданий.
Ввиду значительной удаленности и разобщенности, а также малых значений потребляемых мощностей, присоединение изолированных населенных пунктов к единой энергосистеме - нецелесообразно [5]. Решить проблемы энергетики северных регионов только за счет крупного энергостроительства невозможно ни в ближайшей, ни в отдаленной перспективе [6].
Электроснабжение большинства автономных потребителей
осуществляется от дизельных энергоустановок (ДЭС), мощностью от 100 кВт до 3,5 МВт, а теплоснабжение - от водогрейных котельных или электрокотлов.
В зоне Российского Севера эксплуатируются более 12 тысяч ДЭС и почти такое же количество мелких котельных, большинство которых работают на привозном топливе [7 ].
Способы доставки топлива мелким изолированным потребителям зависят от их специализации, удаленности от ближайших пунктов топливоснабжения, состояния дорожно-транспортной сети. Для доставки топлива используется водный (морской и речной), автомобильный транспорт. Доставка топлива водным транспортом в северные регионы России возможна только в период летней навигации, автотранспортом - в зимнее время года по временным дорогам - зимникам.
Одним из перспективных направлений сокращения потребления привозного топлива и решения экологических проблем является использование возобновляемых источников энергии. Экономический потенциал всех возобновляемых источников энергии в мире в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива [8].
В северных регионах России использование возобновляемых источников энергии затруднено особенностями природно-климатических условий:
использование солнечной энергетики возможно лишь в летние месяцы;
реализация проектов по малой гидроэнергетике ограничивается сезонным ледоставом на реках;
использование геотермальной энергии затруднено вечной мерзлотой и сложными геологическими условиями.
Поэтому освоение ветровой энергии является целесообразным и обоснованным.
Северные районы России, в которых находится большинство объектов автономного энергоснабжения располагают значительными ресурсами ветровой энергии. Так, вдоль берегов Северного Ледовитого океана, на протяжении более 12 тыс. км, господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с, а в мировой практике принято считать, что
использование ветроустановок перспективно при среднегодовой скорости ветра более 5 м/с [9]. Суммарная мощность ветроресурсов северных районов достигает 45 млрд. кВт.
В настоящее время наибольшее распространение получили ветроагрегаты с горизонтальной осью пропеллерного типа в диапазоне мощностей от 10 кВт до 5 МВт с диаметрами роторов до 120 м. Серийно выпускаются и ветроустановки с вертикальной осью с диаметром ветроколеса до 30 м и вырабатываемой мощностью до 500 кВт. Большинство ветроустановок подключены к крупным энергосистемам.
В настоящее время существует тенденция повышения мощности ветроагрегатов за счет увеличения размеров ветроколеса. Другое направление -применение концентраторов ветровой энергии.
На рис. 1 показана динамика роста установленной мощности ветроагрегатов в мире [10].
^.000 40,000 35.000 -30,000 -25JJ00 І-Ж000
зова гооз
лСТаЮЬЛе І1<И ИОЩЮЛ ь, Бт.-тсу, — Обща* иощіост ь, м 6т
Рис. 1. Установленная мощность ВЭУ в мире к 2004 году [6]
Общее состояние развития ветроэнергетики в различных странах мира за последние 17 лет — с 1985 по 2002 годы представлено в табл. 1 [11]. За этот
9 период суммарная установленная мощность ВЭУ возросла с 1097 МВт до 31128 МВт.
Табл. 1.
Установленная мощность ВЭУ, подключенных к электрическим сетям, в странах мира
Примечания:
В строках «всего» учтены ВЭУ стран, не указанных в таблице, суммарная установленная мощность которых на 1996 год составляла менее 10 МВт.
В столбцах за 2001 и 2002 годы не учтены ВЭУ стран, не показанных в таблице, суммарная установленная мощность которых в конце 2001 года составила 596 МВт, а в конце 2002 года — 850 МВт. Таким образом, установленная мощность ветротурбин в мире в конце 2001 года составила 24390 МВт, а в конце 2002 года — 31128 МВт.
В 1999 году Мировая ветроэнергетическая ассоциация приняла программу развития ветроэнергетики "Wind Force 10", целью которой является достижение 10%-й доли ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии к 2020 году (табл. 2) [11] при увеличении годового производства электроэнергии в мире в два раза, а к 2040 - 20%.
В настоящее время большинство ветроустановок производят электроэнергию. Существует ряд особенностей при использовании ВЭУ на выработку электроэнергии для энергоснабжения автономного потребителя:
непостоянство скорости ветра приводит к несовпадению режимов производства и потребления энергии. Дефицит восполняется работой
10 резервных установок, таких как дизель-генераторная установка (ДГУ);
сложность аккумулирования электрической энергии в промышленных масштабах;
большие потери энергии ветра при использовании электроэнергии в качестве промежуточного носителя при производстве других промышленных энергоносителей (например, производство сжатого воздуха по традиционной схеме «ВЭУ-электрогенератор-электросеть-электродвигатель-компрессор» ведет к потерям энергии до 10-15%).
Наряду с электроснабжением, актуальной проблемой является обеспечение потребителя тепловой энергией. В работе [4] на эти цели предложено использование электрической энергии, выработанной ветроустановкой. Применение такой схемы позволяет снизить требования к качеству электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, позволяя, упростить, удешевить ветроагрегат и повысить его надежность. Однако, использование энергии высокого качества (электрической, механической) для производства тепла энергетически неэффективно.
Другим распространенным энергоносителем является сжатый воздух. Это экологичный, пожаро-, электро- и взрывобезопасный энергоноситель высокого качества. С помощью сжатого воздуха, с высоким КПД можно получать холод (вплоть до криоуровня), тепло, электроэнергию, выполнять механическую работу.
Производство сжатого воздуха - энергоемко и на промышленном предприятии на его получение затрачивается до 30% общего энергопотребления.
Сжатый воздух - удобный энергоноситель для интегрирования различных потребителей и производителей энергии (как на традиционных, так и возобновляемых источниках) в пневмокомплекс с единым аккумулятором и производством спектра энергоносителей.
Целью работы является проведение комплексного исследования для создания энергетически независимой системы централизованного энергоснабжения автономных потребителей за счет энергии ветра. Для ее достижения в работе были поставлены следующие задачи:
Проведение анализа различных методов расчета ветропотенциала. Исследование влияния температуры окружающей среды на мощность ветроустановки.
Проведение анализа основных показателей современных ветроэнергетических установок и проблем, связанных с их работой.
Разработка конструктивной схемы и методики расчета энергетических показателей ветроустановки с целью увеличения мощности ветроколеса, решения экологических проблем и защиты ветроагрегата от негативного воздействия окружающей среды.
Исследование проблем применения сжатого воздуха в качестве альтернативного энергоносителя при использовании ветроустановок. Определение типов и характеристик воздушных компрессоров при непосредственном приводе их от ветротурбин и соответствующего вспомогательного оборудования. Получение расчетных соотношений для определения производительности ветрокомпрессорной установки (ВКУ) по сжатому воздуху и теплу.
Проведение анализа методик расчетов воздушного аккумулятора.
Разработка схемных решений по использованию энергии ветра на цели тепло- и электроснабжения, методик и соответствующего программного обеспечения для расчета их энергетических показателей.
Разработка методики сопоставления энергетической эффективности схем тепло- и электроснабжения автономного потребителя.
Обоснованные в работе предложения и разработанные технические решения позволяют добиться эффективного использования энергии ветра в системах теплоэнергоснабжения автономных потребителей. Результаты работы
12 могут использоваться проектными организациями при выборе способов энергоснабжения промышленных предприятий и жилых поселков.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований и 5 приложений, изложенных на 213 страницах машинописного текста, содержит 60 иллюстраций, 30 таблиц.
Влияние ветроустановок на окружающую среду
Считается, что использование этой энергии - экологически безопасно. Однако, существуют следующие факторы негативного влияния на окружающую среду со стороны ветроустановок:Изъятие земельных ресурсов.
При строительстве ветрофермы при одинаковой «розе ветров» по всем румбам, установки следует располагать друг от друга на расстоянии, равном 10 диаметрам ветроколеса [20, 21, 22]. В этом случае ветровой поток полностью восстанавливается. Занимаемая ветрофермой площадь равна, м2: S = (я7-1) 1О (п2-1) 10 /?=(«г1) Сл2-1) 1ОО 2 где «/ - количество рядов ветроустановок по длине ветрофермы; П2 - количество рядов ветроустановок по ширине ветрофермы; D - диаметр ветроколеса, м.
Существуют возможности сокращения площади под ВЭС, если «роза ветров» имеет преимущественное направление (рис. 1.8) [23]. При преимущественном распределении скорости ветра по двум направлениям, расстояние между ВЭУ по направлению, перпендикулярному этому, можно сократить до 5 ветроколеса. Требуемая площадь под ВЭС сокращается в два раза:
Акустическое воздействие ВЭУ.
Одной из серьезных проблем при использовании ветротурбин является шум. С применением ряда технических решений (оптимизации скорости вращения и ориентации турбин на ветер, а также благодаря использованию малошумного оборудования ветроустановки) он в значительной степени снижен. В табл. 1.2 представлено сравнение различных источников шума [23].
На расстоянии 300 м шум от большинства современных ветротурбин не превышает 40 децибел. Поэтому площадка БЭС рекомендуется располагать не ближе чем 200 м от ближайшего жилого объекта [23]. Помехи телевизионной и радиосвязи; Использование стеклопластика в качестве материалов лопастей ветроколес существенно снижает влияние ветроустановок на средства телекоммуникаций. Аварийные ситуации при эксплуатации ВЭУ, опасность поломки и разлета поврежденных частей установки.
Ветроустановки с горизонтальной осью вращения, использующие подъемную силу (роторы пропеллерного типа), являются на сегодняшний день наиболее распространенным типом ветроприемных устройств, благодаря тому, что они обладают высокими мощностными и скоростными характеристиками, используют хорошо отработанную технологию изготовления лопастей, которая применяется в авиастроении. Коэффициент мощности таких установок достигает 0,5 при высокой быстроходности. Единичная мощность их достигает 5 МВт с диаметром ротора свыше 120 м [10]. Рабочий диапазон скоростей набегающего ветрового потока от 5 до 25 м/с. Лидирующими компаниями в настоящее время являются Nordtank, Vestas, DeWind и др. Основные типы горизонтально-осевых ветроустановок представлены на рисунке 1.7 [16]
По сравнению с роторами пропеллерного типа, ветротурбины типа Дарье имеют меньший начальный момент, но большую быстроходность и поэтому большую удельную (по массе) мощность. Такие роторы имеют различную форму (Ф-, Д-, Y- и 0 - образную) с различным числом лопастей [24].
Преимуществами ветротурбин вертикального типа являются: отсутствие устройств для ориентации на ветер, что упрощает конструкцию; снижение гироскопических нагрузок, вызывающих дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и других элементах установки; трансмиссия, генератор и другие агрегаты могут размещаться на земле, вследствие чего стоимость изготовления и технического обслуживания существенно уменьшается. Из-за малого начального вращающего момента запуск ротора Дарье затруднен. Для увеличения начального момента ротор Дарье может быть скомбинирован с различными типами вспомогательных устройств. Однако это увеличивает массу и стоимость ветроустановки. Одним из перспективных направлений является использование ветроагрегатов с вертикальной осью и прямыми лопастями, аэродинамические качества которых экспериментально изучены в работах [25, 26].
Энергетические показатели работы компрессорных установок
Производство сжатого воздуха — энергоемкий процесс. Например, компрессор К-250-В1-1, производящий 250 м3/мин, сжатого воздуха с давлением 0,9 МПа имеет электродвигатель установленной мощностью 1,75 МВт [38]. Удельная работа сжатия зависит от вида рабочего процесса. При изотермическом сжатии (Т- const): =й?;іпр2/д,Дж/кг (2.1) где Т] - температура в начале процесса сжатия, К; pi - давление в начале процесса сжатия, Па; Р2 - давление в конце сжатия, Па; R — универсальная газовая постоянная (для воздуха R=2&7), Дж/(кг К). При адиабатном (изоэнтропном) процессе сжатия: L -щ PIJ -і = с(г2й,-7;),Дж/кг (2.2) где Т2ад - температура в конце процесса адиабатного сжатия, К; ср - теплоемкость воздуха, Дж/(кг К); к - показатель адиабаты (для воздуха к= 1,4). Отведенная теплота равна работе сжатия в изотермическом процессе: При адиабатном сжатии: Мощность, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре: компр— в-ха сжатия— в-ха \"2 "ljt " \Z.,j) где Ge.xa - производительность компрессора, кг/с; Ісжатш - работа сжатия компрессора, Дж/кг; hi,h,2 энтальпии воздуха в начале и в конце процесса сжатия.
Энергетическое совершенство компрессоров определяется относительным термодинамическим КПД, представляющим собой отношение работы в идеальном цикле сжатия к действительному политропному циклу [42]. Для компрессоров с промежуточным охлаждением эталонным является изотермический процесс:
п-\ КРі) (2.4) где п - показатель политропы. Неохлаждаемые установки сравнивают с адиабатным циклом сжатия: -RT, ta.om L -RT Jfc-1 n-\ k-l (в? Pt я-І KPJ (2.5) Относительный как изотермический, так и адиабатный КПД компрессорных агрегатов находятся в пределах 0,8—0,92 [42]. Действительная работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит также от механического совершенства установки, которое учитывается механическим цм. Механический КПД цм = 0,9 - 0,96 [42]. Действительная удельная работа, подводимая от двигателя на вал компрессора: l lJTl«jmflM И 1тт=1аМв ПЛ (2.6) При сжатии, температура воздуха повышается. Температура сжатого воздуха в конце политропного процесса (т2) определяется по уравнению: Г2/Г,=(Л/Л)Т,К (2.7) Удельное количество тепла, подведенное или отведенное в процессе сжатия газа: = - , Дж/кг (2.8) к-\
Тепло сжатия и потери отводятся за счет системы охлаждения. Количество тепла, получаемого от сжатого воздуха равно по величине мощности привода [43]. Причем, температурный уровень полученного тепла колеблется от 40 до 100С в зависимости от способов теплосъема [43].
В настоящее время в большинстве случаев тепло системы охлаждения сбрасывается в окружающую среду. Однако, до 90% этого потенциала может быть полезно использовано [43].
Теплота сжатия, отводимая от компрессора относится к низкопотенциальным энергоресурсам, температурный уровень которого позволяет использовать ее на цели теплоснабжения [43].
В настоящее время для утилизации тепла сжатого воздуха применяются рекуперативные пластинчатые или кожухотрубные теплообменники, как в качестве промежуточных, так и концевых холодильников.
В настоящее время большинство ветроустановок производят электроэнергию, а компрессоры используют электроэнергию как энергоноситель. Предлагается непосредственный привод воздушного компрессора от ветроэнергетической установки. В работе проведено сравнение этих вариантов. Системы воздухоснабжения от ветроустановок представлены на рис. 2.4. В первом случае это серийная ветроэлектрическая установка и компрессор с электроприводом, а во - втором единый ветрокомпрессорный блок.
Расчет емкости аккумулятора сжатого воздуха
В работе [62] предложена методика количественного определения объема хранилищ для компенсации неравномерности производства и потребления газа на базе соответствующих графиков.
График потребления газа за время г делится на к равных частей по времени. При этом Jt=24, если рассматривается суточная неравномерность, 7 -если недельная, 30 - если месячная, и т.д. Она определяется временем и точностью замеров при построении графика потребления газа и его производства. При известных величинах подачи газа V0(r) (м7с) и его потребления 1/Дг) (м3/с) ДЛЯ каждого интервала времени Дг, 2Дг ЗДт, кАт вычисляется суммарное количество газа, т.е.: Vo. = Г V0 (T)dT , м3 v., = Ч (тут, м3 2ІТ . 3 . fib . З V„ = V0Cr)rfr.M v„ = K„ rVr,M П = f Чдаг.м3 Vrt = fVn(T)dT,M3
Для полной компенсации необходимо иметь такой запас газа в хранилище, который позволил бы покрыть весь избыток потребления за период. Определяется разность, равная количеству газа, который находится в хранилище для компенсации неравномерности: +д1=уш-К1,м3 ±Д3=У01-Уя2,м3 ±ДИ = ,,- ,м3 Абсолютная сумма максимальных отрицательного и положительного значений за все время г дает объем аккумулятора для покрытия неравномерности графиков потребления и производства газа, т.е.: V =-Д -І+ДІ ,м3 (3.1) Р I I ma I I max х Для определения объема аккумулятора предлагается использовать методику [63]. Она позволяет вычислить требуемый объем аккумулирующей емкости в зависимости от режима потребления и производства сжатого воздуха, давления нагнетания компрессора, давления потребителя с учетом влияния нагревания и охлаждения сжатого воздуха при его сжатии и расширении. Аккумуляторы, как правило, работают в одном из следующих режимов:
1. Длительное хранение сжатого воздуха с разовой выдачей всего запаса его под необходимым давлением. При этом сжатый воздух, находящийся в аккумуляторе под максимальным давлением, принимает температуру окружающей среды. После выдачи всего запаса сжатого воздуха давление падает до минимального, а температура оставшегося в аккумуляторе сжатого воздуха - понижается. Так как время выдачи сжатого воздуха обычно непродолжительно, принято, что температура остатка сжатого воздуха в аккумуляторе соответствует концу процесса адиабатического расширения.
2. Цикличное наполнение аккумулятора до максимального и опорожнение до минимального давления при непрерывно протекающем процессе. Сжатый воздух при наполнении аккумулятора нагревается до температуры, соответствующей максимальному давлению, а при опорожнении - охлаждается до температуры на входе в аккумулятор (при условии адиабатического сжатия и расширения).
3. Часть полезной емкости аккумулятора занята хранимым запасом сжатого воздуха, а остальная часть непрерывно циклично заполняется и опорожняется. В этом случае совмещаются первый и второй режимы. Запас сжатого воздуха хранится не при максимальном давлении, как при первом режиме, а при промежуточном давлении (между максимальным и минимальным). Цикличное опорожнение происходит не до минимального, а до промежуточного давления.
При уменьшении скорости ветра, в определенный промежуток времени подача воздуха в аккумулятор снижается и давление будет падать при сохранении темпов потребления. Снижение потребления сжатого воздуха пневмоприемниками и одновременное увеличение по скорости ветра приведет к увеличению давления сжатого воздуха в аккумуляторе. Поэтому давление в аккумуляторе будет падать не до минимального, а до промежуточного значения.
Исходя из особенностей рассматриваемой системы, когда подача сжатого воздуха напрямую зависит от скорости ветра в каждый момент времени, емкость аккумулятора рассчитывается для третьего варианта, когда емкость непрерывно заполняется и опорожняется и сжатый воздух хранится при промежуточном давлении. По описанной методике проведены расчеты для Рпів =5 и 10 ата и давлений р =13 и 20 ата.
В методике [63] определено количество сжатого воздуха (м ) с давлением потребителя, которое обеспечивается 1 м объема аккумулятора. По результатам расчета, построен график зависимости количества получаемого воздуха с заданным давлением в зависимости от выходного давления компрессора (рис.3.6).
Гидравлическая емкость показывает, какой объем аккумулятора необходим для получения требуемого количества сжатого воздуха с давлением рт[п. Расчеты показывают, что при увеличении давления на нагнетании компрессора, уменьшается требуемый объем аккумулятора, что делает систему более компактной. В зависимости от потребного объема аккумулятора, параметров генерирующих источников, типа и доступного объема пневмосистемы, а также экономических показателей, подбирается итоговая емкость воздушного аккумулятора.
Электроснабжение от дизель-генератора и теплоснабжение от водогрейной котельной
В работе [4] впервые была описана схема системы теплоснабжения с использованием электрокотлов. Она представлена на рис. 4.4. Схема состоит из ветроустановки, электрогенератора, приводящегося от ветроагрегата и электрокотла, находящегося непосредственно у потребителя [4].
Преимуществами этой системы являются:
упрощение конструкции ветроэлектроустановки, увеличение надежности, и удешевление ее за счет снижения требований к качеству энергии;
применение ВЭУ для теплоснабжения потребителей позволяют избежать основного недостатка ветровой энергии — непостоянства во времени. Кратковременные изменения мощности ВЭУ сглаживаются благодаря аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Продолжительные колебания (в течение десятков минут и нескольких часов) могут выравниваться вследствие аккумулирующей способности отапливаемых зданий или с помощью аккумуляторов энергии;
в длительные периоды со слабым ветром или безветрием в работу включаются резервные источники теплоснабжения на органическом топливе (водогрейные котельные установки).
В [2] проведены расчеты для прибрежных районов Баренцева моря со средней скоростью ветра vs = 8,0 м/с отношения расчетной скорости к средней составляет Ур/їїг = 1,25, капитальные затраты на строительство ВЭУ квэу - 500 $/кВт. Результаты показали, что основными факторами, определяющими эффективность применения ВЭУ для теплоснабжения, являются стоимость топлива (зт) и мощность ВЭУ, точнее — соотношение ее мощности с мощностью котельной (параметр (/Г1 -РВЭУ 1Рк} С удорожанием топлива минимум приведенных затрат смещается в область более высоких значений /Г (в сторону увеличения мощности ВЭУ). По сравнению с теплоснабжением только от котельной І Г — 0), работающей на органическом топливе, применение ВЭУ в ветровых условиях побережья Баренцева и Белого морей обеспечивает снижение приведенных затрат (а также и себестоимости энергии) на 22...35 %. Оптимальная мощность ВЭУ при этом составляет около 0,5...0,7 установленной мощности котельной, что способствует вытеснению до 50...70 % органического топлива [70].
Эффект от использования энергии ветра на нужды отопления может быть повышен за счет использования теплоаккумулирующих устройств. Оценки, полученные при анализе материалов натурных наблюдений на ветроэнергетическом полигоне Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН в Дальних Зеленцах (северное побережье Кольского полуострова), показали [71], что в случае применения тепловых аккумуляторов, участие ВЭУ в покрытии графика тепловой нагрузки в зимние месяцы возрастает на 5... 12, а в летние — на 23...29 %. Аккумулирование теплоты позволяет существенно реже включать в работу тепловой резерв (котельную). В отдельные месяцы вся нагрузка может покрываться только за счет ВЭУ. Это способствует упрощению обслуживания системы теплоснабжения и снижению эксплуатационных расходов.
Большинство населенных пунктов Севера в настоящее время снабжаются теплом от водогрейных котельных [5]. Поэтому в работе рассмотрена схема на базе ветроэлектрогенераторной установки с электрокотельной и резервной водогрейной котельной, которая представлена на рис. 4.5.
Ветротурбина I приводит в действие электрогенератор II. Электрический генератор работает на теплоснабжение за счет использования электрокотельных установок III и электроснабжение. Для обеспечения надежности электроснабжения в схеме предусмотрен резервный источник VI (дизель-электрический агрегат). Для сглаживания неравномерностей графиков потребления и производства тепловой энергии предусмотрен водяной аккумулятор V, а в качестве резервного источника теплоснабжения -использование водогрейной котельной.
По данным [70] ветроэлектроустановка не может полностью обеспечить круглогодичные нужды потребителей в тепловой и электрической энергии. По методике, представленной в [5], можно рассчитать долю энергии, которую ВЭУ способна покрыть.
Доля участия ВЭУ ат в покрытии отопительной нагрузки за весь отопительный период составит: 1л — — —« — Ог где Ql3y - количество электроэнергии, выработанное ветроэлектроустановкой за отопительный период, превращенное в тепло и использованное на нужды отопления, Дж; Qs - годовой расход тепловой энергии на отопление, Дж. Соотношение мощностей котельной и ВЭУ составит: Є max _ ВЭУ т птах где Р - максимальная мощность котельной, Вт; РЮУ - максимальная мощность ВЭУ при расчетной скорости ветра, Вт. Наибольшее возможное участие ВЭУ в покрытии реального отопительного графика можно оценить с помощью средней интегральной величины й, по которая определяется как число часов использования максимума установленной мощности ВЭУ. (,пих _" l,max пВЭУ О к где А - число часов использования максимума тепловой нагрузки. Для определения ат и h y в [5] был обработан обширный материал наблюдений по ряду метеостанций европейского Севера, включающий синхронные записи скорости ветра и наружной температуры воздуха. Выявлены зависимости суточной выработки энергии ВЭУ от среднесуточной скорости ветра (рис. 4.6). Значения ат, представленные на графиках, согласно [10] можно аппроксимировать:
