Проблемы и перспективы исследования ветроустановок малой мощности в жилищно-коммунальном
комплексе
Тихонова О.Б., Русляков Д.В.
Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал)
Донской государственный технический университет
Энергия ветра - это косвенная форма солнечной энергии,
являющаяся следствием разности температур в атмосфере земли.
Сегодня проблема использования малых ветрогенераторов для
нужд жилищно-коммунального комплекса (ЖКК) России стоит достаточно давно [1,2].
Это связано со многими факторами.
Считается [3], что применение малых ветрогенераторов в быту
малоцелесообразно из-за: высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей
установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока
получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с
внешней сетью при работе генератора в параллель)); высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25 % стоимости
установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при
отсутствии или пропадании внешней сети); для обеспечения надёжного
электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый
по стоимости со всей установкой.
В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители,
себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину
у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя
остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.
Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии
получаемой от ветрогенераторов являются: необходимость получения электроэнергии
промышленного качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор); необходимость автономной работы в течение
некоторого времени (применяется аккумуляторы); необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется
дизель-генератор).
К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее
100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике.
Также они активно применяются в сфере жилищного комплекса страны. Малые
ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей
электрической сети.
В настоящее время наиболее экономически целесообразно
получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного
качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим
преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения
горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ.
Схема автоматики может быть в самом простом случае построена
на нескольких тепловых реле. В качестве аккумулятора энергии можно использовать
обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не так требовательно к качеству и
бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких
диапазонах 19—25°С - в бойлерах горячего водоснабжения – 40 - 97°С без ущерба
для потребителей.
Наиболее перспективными регионами для развития малой
ветроэнергетики считаются регионы с увеличенной среднестатистической стоимостью
электроэнергии.
Предлагаем интерактивную модель [4] для электроснабжения
потребителя от ветрогенератора (с аккумуляторами) и ее коммутацию с сетью для
использования в сфере ЖКК.
Модель предусматривает бесперебойное снабжение потребителя
электроэнергией при перебоях в централизованной системе электроснабжения. При
отключении основного источника питания, т.е централизованной электросети, автоматическое
включение резерва (АВР) производит переключение с основного источника питания
на резервный.
Резервным источником питания является альтернативный
источник энергии – ветроэнергетическая установка (ВЭУ), которая преобразует
энергию ветра в электроэнергию. Полученная энергия через контролер поступает на
заряд аккумуляторной батареи (АКБ). С АКБ напряжение поступает на инвертор,
который в свою очередь преобразует постоянное напряжение 12В в переменное 220В
с частотой 50Гц, тем самым обеспечивая потребителя электроэнергией.
Работу
всего комплекса определяют три основные величины:
1) Выходная мощность ветроустановки (кВт), определяется
только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра,
емкости аккумуляторов. Ещё её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр
определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть
одновременно подключены к системе. Невозможно одновременно потреблять больше
электроэнергии, чем позволяет мощность инвертора. Для увеличения выходной
мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов.
2) Время непрерывной
работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется емкостью
аккумуляторных батарей (А*ч или кВт) и зависит от мощности и длительности
потребления.
3) Скорость заряда аккумуляторных батарей (кВт/час) зависит
от мощности самого генератора. Также этот показатель прямо зависит от скорости
ветра, а косвенно от высоты мачты и рельефа местности. Более мощный генератор
следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или вы
потребляете электроэнергию постоянно, но в небольших количествах. Для
увеличения скорости заряда аккумуляторов возможна установка нескольких
генераторов одновременно и подключение их к одной аккумуляторной батарее.
Предусматриваются условия подбора ветрогенератора и
сопровождающего оборудования.
1) Количество электроэнергии, необходимое объекту ежемесячно
(измеряется в кВт*час).
2) Желаемое время автономной работы энергосистемы в
безветренные периоды или периоды, когда потребление энергии из аккумуляторов
будет превышать скорость зарядки аккумуляторных батарей генератором (определяет
количество и емкость аккумуляторных батарей).
3) Максимальная нагрузка на сеть в пиковые моменты
(измеряется в кВт) (для подбора инвертора переменного тока).
Например, в городе Ростов-на-Дону низкая среднегодовая скорость ветра, но
открытое пространство и возвышение объекта позволит ветрогенератору работать
как минимум на 30-40% от номинальной мощности. Для более точных показателей нужно
произвести замер скорости ветра в месте установки. Как правило, оси пропеллерных ветроустановок находятся на высоте
5-50 метров. Для такой высоты можно пользоваться упрощённой формулой нахождения
скорости ветра, аппроксимирующей выражение:
, (1)
где V h - скорость ветра на
высоте h, [ м/ч ];
V 10 - скорость ветра на высоте 10м;
h- высота, [ м ];
b = 0,14 - эмпирический коэффициент.
На рисунке 1 показана зависимость передаваемая энергия ветроустановкой
от рабочей скорости ветра 5 м/с.
Рисунок 1 -
Передаваемая энергия ветроустановкой в зависимости от скорости ветра 5
м/с
Как видно из приведенного графика, функция вырабатываемой
энергии ветроустоновкой малой мощности зависит от распределения скоростей ветра
и имеет явно выраженный максимум.
При сравнении себестоимости электроэнергии по варианту
базовый ветроустановки и по предлагаемому варианту был получен следующий
результат.
Внедрение проектируемой ветроустановки
приводит к сокращению себестоимости электроэнергии на 48,8%, до 1,74 руб/кВт –
ч, за счет этого общая годовая экономия будет получена в размере 4,58 тыс.
руб., за весь срок эксплуатации ветроустановки будет получен чистый доход в
размере 4,58 тыс. руб.
Так, ветровая энергия является относительно экологически
чистой: проблема шума при работе и помехи в телевизионных каналах, создаваемые
электростатическими зарядами на стальных лопастях, могут быть легко решены. При
скоростях более 5 м/сек уже возможно использование энергии ветра посредством ветроустановок малой мощности для
выработки электроэнергии в сфере ЖКК, с целью повышения энергоэффективности.
Литература:
1. Русляков Д.В.,
Тихонова О.Б. Вопросы энергосбережения и энергоэффективности
жилищно-коммунального комплекса в России/ Актуальные проблемы техники и
технологии: международная научно-практическая конференция: материалы: – ИСОиП
(филиал) ДГТУ, 2014, с.151-154
2. Об энергосбережении
и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные
законодательные акты Российской Федерации: федер. закон от 23.08.2009 №261-ФЗ.
– 2009. -23авг.
3. Ветроэнергетика/ под
ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; в 39 под ред. Я. И. Шефтера.- М.: Энергоатам
издат, 1982.
4. Тихонова
О.Б., Русляков Д.В. Интерактивные средства обеспечения эксплуатационной
эффективности приборов/ Инженерный Вестник Дона.
– 2012. – № 4-2. - С. 70 – URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1429.
- Свидетельство ПИ № ФС77-27308