авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра _Электроснабжение промышленных предприятий_

Специальность_6М071800 –

Электроэнергетика

Допущен к защите

Зав. кафедрой ЭПП

_ Бакенов К.А.

«_»_2013 г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка Тема_Исследование влияния частоты генератора на электромеханический преобразователь с_ трансформатором _ Магистрант Смайлов А.С. подпись (Ф.И.О.) Руководитель диссертации Бакенов К.А._ подпись (Ф.И.О.) Рецензент_Умбеткулов Е.К._ подпись (Ф.И.О.) Алматы, 2013 г.

Некоммерческое акционерное общество «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Факультет _Электроэнергетический Специальность 6М071800 – Электроэнергетика_ КафедраЭлектроснабжение промышленных предприятий_ ЗАДАНИЕ на выполнение магистерской диссертации Магистранту_Смайлову Айбеку Саматовичу_ (фамилия, имя, отчество) Тема диссертации_ Исследование влияния частоты тока на работу_ электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем_ утверждена Ученым советом университета №_ от «_» Срок сдачи законченной диссертации «_»_ Цель диссертации _исследовать режимы работы электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем в ветроустановках. Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или краткое содержание магистерской диссертации:

1. Провести анализ перспективности использования ветроустановок в Казахстане и их режимов работы 2. Провести анализ известных электромеханических преобразователей 3. Исследовать влияния переменной частоты на характеристики электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)_ _ Рекомендуемая основная литература 1. www/windenergy.kz// Дорошин Г.А. Перспективы использования ветроэнергетики в Казахстане. Доклад в рамках проекта ПРООН.ГЭФ «Казахстан – инициатива развития рынка ветроэнергии». Алматы, -2006 г.– 2. Агимов Т.Н. Исследование влияние удаленности и мощности потребителя на выбор систем электроснабжения. Алматы, - 2009 г. – 94с.

3. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.М. Альтернативные энергоносители, М.: Наука. – 2004. – 157 с.

ГРАФИК подготовки магистерской диссертации Наименование разделов, перечень Сроки представления Примечание разрабатываемых вопросов научному руководителю 1. Состояние развития 09.09.2011-09.01. ветроэнергетики в республике 2. Ветер как энергоноситель. 09.01.2012-09.04. Мероприятия, направленные на развитие ветроэнергетики в республике 3.

Анализ электрогенераторов 09.04.2012-09.07. применяемых в ветроэлектроснтанциях 4. Электрический преобразователь с 09.07..2012-25.09. коммутируемым выпрямителем 5. Исследование электрического 25.09.2012-20.11. преобразователя с коммутируемым выпрямителем 6. Экспериментальное исследование 20.11.2012-15.03. трансфомраторно-вентильного преобразователя 7. Физическая модель ветродвигателя 15.03.2013-20.05. Дата выдачи задания09.09.2011 г. Заведующий кафедрой_(Бакенов К.А.) (Ф.И.О.) (подпись) Руководитель диссертации( Бакенов К.А.) (Ф.И.О.) (подпись) Задание принял к исполнению магистрант _(Смайлов А.С.) (Ф.И.О.) (подпись) АННОТАЦИЯ В данной диссертационной работе рассматривается влияния частоты тока на работу электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем для ветроэлектрической установки. Описывается принцип работы и зависимость КПД трансформатора от скорости ветра. Рассматриваются основные схемы преобразования энергии ветра в электрическую, их преимущества и недостатки. Состояние, перспективы и развития ветроэнергетики в мире и в Казахстане.

АДАТПА Диссертацилы жмыста жел электр ондырыысына арналан комутациялы тзеткіші бар электромеханикалы трлендіргішті жмысына то жилігіні сері арастырылан.

Слбаны жмыс істеу принципі жне трансформаторды ПК-ні жел жылдамдыына туелділік анализі сипатталады. Жел энергкиясын электр энергиясына трлендіру слбаларыны артыкшылытары мен кемшіліктері айшыталан. Дуние жзі мен азастанда жел энергиясыны алатын орны оны болашакта даму ерекшеліктері крсетілген.

ABSTRACT In this dissertation work the effect of frequency on the operation of the electric current converter with switching rectifier for wind power plant. Describes the operation and efficiency of the transformer dependence on wind speed. The basic scheme of conversion of wind energy into electricity, and their advantages and disadvantages. The state and prospects of development of wind power in the world and in Kazakhstan.

Содержание Введение СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ 1 Ветроэнергетика - альтернатива традиционным способам производства 1.1 электрической энергии Проблемы и особенности электроэнергетического комплекса Казахстана 1.1.1 Возобновляемые источники энергии для электроснабжения удаленных 1.1.2 потребителей Выводы по разделу ВЕТЕР КАК ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ 2 Природа ветра 2.1.1 Мероприятия направленные на развитие ветроэнергетики в республике 2.2 Ветровые режимы Казахстана 2.3 Достижения ветроэнергетики в республике 2.4 Требования к электрогенераторам вертикально-осевой 2.5 ветроэлектростанции Выводы по разделу АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ В 3 ВЕТРОЭЛЕКТРОСНТАНЦИЯХ Электрогенераторы для ветроэлектростанций зарубежного производства 3.1 Электрогенераторы для ветроэлектростанций разработанные в Казахстане 3.2 Применение Электрогенератора с постоянными магнитами в 3.3 электромеханическом преобразователе, разработанном в Казахстане Электрический преобразователь с коммутируемым выпрямителем 3.4 Выводы по разделу ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С 4 КОММУТИРУЕМЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ Процессы в трансформаторно-выпрямительного преобразователя и их 4.1 параметры Влияние частоты на потери в стали 4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОМРАТОРНО 5 ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Изготовление опытного образца трансформаторно-вентильного 5.1 преобразователя Моделирование ветродвигателя 5.2 Асинхронный двигатель 5.2.1 Двигатель постоянного тока 5.2.2 Физическая модель ветродвигателя.

5.3 Разработка программы испытаний 5.4 Испытания вентильно-трансформаторного преобразователя 5.5 Выводы по разделу Заключение Список используемых источников Введение В последнее время, не только в нашей стране, но и во всём мире, всё более актуальным становится вопрос об истощении запасов углеводородного топлива. По прогнозу Международного энергетического агентства, при сохранении современного уровня добычи и росте глобальное потребление первичных энергоресурсов в мировой энергетике запасов нефти хватит максимум на 75 лет, природного газа - не более чем на 100 лет, угля - на лет.

Наряду с этим во всём мире растет важность вопроса об ухудшении экологической обстановки. Существующие на сегодняшний день технологии получения энергии от ископаемых источников являются наиболее «экологически грязными». В связи с этим, в конце 1997 года на третьей Конференции Сторон Рамочной Конференции ООН по Изменению Климата (РКИК) в Киото, был принят Киотский Протокол РКИК, обязывающий страны, ответственные за выбросы, проводить мероприятия, направленные на сохранение климата.

Энергетический комплекс республики основан на использовании углеводородного топлива. Казахстан считается крупнейшим источником выбросов парниковых газов (ПГ) в Средней Азии. Согласно данным по инвентаризации парниковых газов, которая осуществлялась при помощи Программы исследований США в 1994 года, удельные выбросы ПГ в Казахстане составили более 15,9 тонн на душу населения. Это самый высокий показатель среди всех среднеазиатских республик. Республика занимает тринадцатое место в мире по отношению удельных выбросов парниковых газов на единицу ВВП (6,11 кг СО2/USD). В абсолютном выражении количество диоксида углерода, выбрасываемого электростанциями, составило 93 млн. тонн в 1990 году. Причина высоких показателей выбросов парниковых газов объясняется использованием на основной части электрических станций в качестве топлива угля и эксплуатацией устаревшего оборудования. По сведениям специалистов изношенность оборудования составляет 70 %. Концентрация вредных веществ в дымовых газах угольных электростанций в Казахстане в несколько раз превышает международные стандарты. Выбросы вредных веществ в атмосферу электростанциями превышают 1 млн. тонн в год, а общий объём загрязняющих веществ в окружающую среду превышает 11 млн. тонн. Основными источниками выбросов парниковых газов в Казахстане являются теплоэлектростанции. На их долю приходится порядка 43% от общих выбросов ПГ по стране. Производство электроэнергии в период экономического кризиса привело к снижению производства электроэнергии и выбросов, но в настоящее время ежегодный прирост потребления электроэнергии составляет 5-7%, что увеличивает объёмы выбросов парниковых газов. По прогнозам специалистов выбросы ПГ в 2010 году превысят уровень 1990г. По их оценкам, приблизительная стоимость внешнего ущерба окружающей среде от угольной энергетика в Казахстане оценивается в 7,7 тенге за каждый кВт*ч электроэнергии.

Стоимость внешнего ущерба от угольных ТЭС может быть оценена в 4,3 млрд. долларов США в год. Поэтому Казахстану требуется проведение мероприятий направленных на снижение выбросов и сохранение экологии.

Одним из способов улучшения ситуации – переход на электрические станции, использующие возобновляемые источники энергии. Такие станции наносят меньший вред окружающей среде. Казахстан входит в число стран подержавших рамочную конвенцию ООН о сохранении климата. В этом направлении Правительством республики проведена следующая работа:

- Разработана Национальная программа развития ветроэнрегетики Республики Казахстан - Постановление Правительства № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики»;

- в 2004 году подписан документ совместного проекта Правительства Казахстана и Программы развития ООН «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики»;

- Президентом Республики Казахстан принят закон № 165-IV 3PK от 4 июля 2009 года о поддержке использования возобновляемых источников энергии.

Из отраслей энергетики, использующих альтернативные возобновляемые источники энергии, наиболее динамично развивается ветроэнергетика. Во всем мире и Казахстане ученые добились определенных успехов в разработке ветроустановок. В ветроэнергетике в настоящее время имеется ряд технико-экономических проблем, препятствующих ее более широкому применению. Одна из них - невысокая частота вращения первичного двигателя ветроколеса. Для решения этого вопроса широкое применение нашел следующий способ, между ветроколесом и электрогенератором включается система сложной трансмиссии. В состав трансмиссии, как правило, входит повышающий редуктор - мультипликатор, так как выпускаемые промышленностью электрические генераторы, которые разработчики вынуждены применять в ВЭУ, не предназначены для работы на столь низких частотах вращения.

Стоимость и масса мультипликатора растут с увеличением передаточного числа при одновременном снижении надёжности. Мультипликатор по стоимости является вторым узлом после генератора практически в любой автономной энергетической установке, и его исключение одновременно со снижением стоимости и массы установки повышает надежность станции и упрощает ее эксплуатацию. Проблема может быть решена путем применения в составе ВЭУ электрогенераторов с низкими номинальными частотами вращения, что позволит упростить конструктивные схемы, уменьшить габариты и снизить массу мультипликаторов, либо совсем отказаться от них.

Однако серийное производство электрогенераторов и тем более специализированных генераторов для ветроэлектрических установок в Казахстане в настоящее время не ведется.

Одной из главных причин является отсутствие подходящих конструктивных решений. В данном направлении имеются очень немногочисленные разработки, носящие экспериментальный или исследовательский характер.

Кроме того, в последнее время всё более актуальным становится вопрос интеграции электрической машины и устройства, в состав которого она входит, с целью уменьшения массогабаритных и стоимостных показателей установки, В настоящее время исследовательские работы направлены на повышение производительности ветроустановок. Одним из основных узлов ветроэлектроустановки является электрогенератор. Поэтому тема диссертационной работы «Повышение производительности электрогенератора ветроустановки» является актуальной для Казахстана.

Цель диссертации – исследовать режимы работы электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем в ветроустановках.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- провести анализ перспективности использования ветроустановок в Казахстане и их режимов работы;

- провести анализ известных электромеханических преобразователей;

- исследовать влияния переменной частоты на характеристики электрического преобразователя с коммутируемым выпрямителем.

Тема диссертационной работы соответствует направлению научно-исследовательской работе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Алматинского университета энергетики и связи.

1. СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ 1.1 Ветроэнергетика - альтернатива традиционным способам производства электрической энергии 1.1.1 Проблемы и особенности электроэнергетического комплекса Казахстана Энергетический сектор является одним из наиболее развитых секторов экономики Казахстана. Запасы ископаемого топлива в Казахстане составляет около 4% от общемировых запасов топлива. В республике добывают уголь, нефть, газы и уран [1]. Доля угля во внутреннем потреблении энергоресурсов составляет около 67%, нефти - около 21%, газа около 12%. В основном топлива расходуется на производство электроэнергии и тепла. В структуре топливного баланса электростанций доля угля составляет около 75%, газа -23%, мазута -2%. По прогнозам специалистов производство электроэнергии в 2010 году составит свыше 80 млрд. кВт*ч, а к 2015 году составит 97 млрд. кВт*ч.

Электроэнергетический комплекс состоит из нескольких секторов: производства электрической энергии, передачи электрической энергии, электроснабжения и иных организаций, осуществляющих деятельность в сфере электроэнергетики. Сектор производства электрической энергии состоит из более 60 электрических станций различных форм собственности. Общая установленная мощность электростанций составляет около 18, тысяч МВт. В структуре генерирующих мощностей тепловые электростанции составляют 15,42 МВт, или 87% от общей мощности, доля гидростанций - около 12%, другие - около 1%.

Существующие генерирующие мощности электростанций имеют срок эксплуатации 25 и более лет. В соответствии с Программой развития единой электроэнергетической системы страны на период до 2010г с перспективой до 2015г необходима замена 3265 МВт старых генерирующих мощностей. Дополнительно потребуется осуществить ввод новой мощности в размере 2300-2550 МВт, что в общей сложности составляет более 30 % генерирующих мощностей. Потребуются также значительные инвестиции в электросетевое хозяйство.

Сектор передачи электроэнергии в себя включает линии электропередач 0,4-1150 кВ 464132 км, 3419 электрических подстанций 35-1150 кВ. Линии напряжением 220 кВ и выше обеспечивают передачу электрической энергии между регионами или государствами и относятся к межрегиональным или межгосударственным линиям. Системаобразующие сети в единой энергетической системе Казахстана основаны на электрических сетях напряжением 220-500-1150 кВ. Межсистемные связи с энергосистемами Российской Федерации, Кыргызской Республики и Республики Узбекистан организованы на напряжении 110-220- кВ.

Национальная электрическая сеть состоит из совокупности подстанций, распределительных устройств, межрегиональных и (или) межгосударственных линий электропередачи и линий электропередачи, осуществляющих выдачу электрической энергии электрических станций, напряжением 220 кВ и выше, не подлежащих приватизации (таблица 1).

Управление энергетическими сетями осуществляет компания АО «KEGOC». Она осуществляет межгосударственную и межрегиональную передачу электрической энергии от электрических станций до потребителей оптового рынка электрической энергии по национальной электрической сети.

Таблица 1.1 - Национальная электрическая сеть Казахстана Всего ВЛ, км 22720, В том числе: ВЛ – 1150 кВ 1421, ВЛ – 500 кВ 5323, ВЛ – 220 кВ 15 975, Передачу электрической энергии по электрической сети регионального уровня потребителям розничного рынка осуществляют региональные электросетевые компании (РЭК).

Сектор электроснабжения рынка электрической энергии состоит из энергоснабжающих организаций (ЭСО), часть которых выполняет функции гарантирующих поставщиков электроэнергии, и осуществляют покупку электрической энергии у энергопроизводящих организаций или на централизованных торгах и последующую ее продажу конечным потребителям.

В число иных организаций, осуществляющих деятельность в сфере электроэнергетики входят:

- строительно-монтажные организации и специализированные ремонтные предприятия;

- специализированные научно-исследовательские и проектно-изыскательские институты;

- учреждение Пул резервов электрической мощности Казахстана (ПУЛ РЭМ), созданное энергопроизводящими организациями Республики Казахстан.

Строительно-монтажные организации и специализированные ремонтные предприятия, оказывают услуги по строительству и наладке энергетических объектов и отдельных энергоустановок, услуги по специализированному ремонту для субъектов электроэнергетического рынка.

Специализированные научно-исследовательские и проектно-изыскательские институты решают проблемы внедрения новых эффективных энергоснабжения потребителей.

Основной целью ПУЛ РЭМ является обеспечение бесперебойного исполнения контрактных обязательств Субъектов ПУЛ РЭМ при непредвиденных выходах из строя генерирующих мощностей или межгосударственных, межрегиональных и региональных линий электропередачи в Республике Казахстан.

Субъектами ПУЛ РЭМ являются участники-учредители ПУЛ РЭМ и пользователи услуг ПУЛ РЭМ.

Сформированы и функционируют оптовой и розничные рынки электроэнергии, рынок централизованной торговли электрической энергией, рынок системных и вспомогательных услуг. С 1 января 2008 года введен балансирующий рынок электрической энергии.

Существующее состояние электроэнергетики Казахстана характеризуется:

- высокой концентрацией энергопроизводящих мощностей - до 4000 МВт на одной электростанции;

- расположением крупных электростанций преимущественно вблизи угольных месторождений (Экибастузский ТЭК);

- высокой долей комбинированного способа производства электроэнергии и тепла для производственных и коммунальных нужд;

- недостаточной (около 12%) долей гидростанций в балансе электрических мощностей республики;

- развитой схемой линий электропередачи, где в качестве системообразующих связей выступают линии электропередачи напряжением 500 и 1150 кВ;

- системой релейной защиты и противоаварийной автоматики, обеспечивающей устойчивость Единой энергетической системы в аварийных и после аварийных ситуациях;

- единой, вертикально организованной, системой оперативного диспетчерского управления, осуществляемого Центральным диспетчерским управлением, региональными диспетчерскими центрами, диспетчерскими центрами потребителей электроэнергии.

Баланс электроэнергии по регионам Казахстана выглядит следующим образом:

Северная зона, куда входят Акмолинская, Восточно-Казахстанская, Карагандинская, Павлодарская области и, где сосредоточены основные генерирующие мощности Казахстана, является энергоизбыточной. Здесь планируется ввод новых мощностей порядка 1035 МВт для замещения выбывающих мощностей и передачи электроэнергии в энергодефицитные регионы Казахстана, а также для экспорта в Россию.

В Западной зоне (Актюбинская, Атырауская и Западно - Казахстанская области) имеется дефицит электроэнергии в объеме порядка 0,84 млрд. кВт*ч, который покрывается экспортом электроэнергии из России. Для покрытия возрастающего потребления электроэнергии в этой быстроразвивающейся зоне планируется ввод около 1300 МВт новых мощностей на газе. Однако, с учетом повышения цен на газ, стоимость электроэнергии в этом регионе может значительно повысится.

В Южной зоне (Алматинская, Жамбылская, Кызыл-ординская и Южно-Казахстанская области) имеется дефицит электроэнергии (см. табл. ниже ).

Таблица 1.2 - Баланс электроэнергии Южной зоны.

Период 2005 2010 Потребность в электроэнергии, млрд. кВт.ч 12,5 14,7 17, Продолжение таблицы 1. Выработка электроэнергии местными электростанциями, млрд. 7,75 7,7 8, КВт*ч Транзит Север-Юг, млрд. кВт*ч 3,5 7,0 7, Дефицит, млрд. кВт*ч 1,25 0,0 1, Для покрытия дефицита в электроэнергии и мощности в Южной зоне введена вторая линия электропередач ВЛ 500 кВ Север- Юг. Однако, к 2015г, с учетом роста потребления электроэнергии, в Южной зоне опять появится дефицит электроэнергии. Для покрытия дефицита мощности в Южной зоне планируется ввод новых гидроэлектростанций:

Мойнакской ГЭС мощностью 250 МВт, и Кербулакской ГЭС мощностью 50 МВт, предполагается строительство малых ГЭС и ВЭС мощностью 50-165 МВт.

По сведениям специалистов [1] в настоящее время остаточный ресурс на электростанциях единой электроэнергетической системы составляет 10-37 %, около треть линий национальной электрической сети Казахстана эксплуатируется 30-40 лет, а у 26 % высоковольтных линий передач срок эксплуатации превышает нормируемый. Износ электросетевого оборудования региональных электрических сетей превышает 65 %.

Казахстану с большой территорией около 2,7 тыс.км2, относительно низкой плотностью населения 5,5 чел[км2 и единой электроэнергетической системой эта задача является очень сложной. В период СССР строительство электростанций проектировалось с учетом наличия промышленных предприятий. Этим объясняется расположение большинства генерирующих источников в Караганде, Павлодаре и Восточном Казахстане рядом с энергоемкими металлургическими предприятиями.

Такая особенность электроэнергетического комплекса усложняет решение вопроса поддержания и строительства новых линий и мощностей. Возможно только при финансовой поддержке, как государства, так и частного капитала. Наряду с вопросом поддержания работоспособности линий передач электроэнергии, стоит вопрос о наращивании, увеличении производства генерирующих мощностей. Ежегодный прирост потребления электроэнергии составляет 5-7 %. В 2009 году возможный технический потенциал отрасли, составляющий 82-84 млн. кВтч, будет исчерпан. Ожидаемый дефицит мощности в Южной зоне 255 МВт.

План мероприятий по развитию электроэнергетической отрасли Республики на 2007 2015 годы предусматривает ввод новых генерирующих мощностей и восстановление неработающих энергоблоков. Реализация плана требует 1,8 трлн. тенге с ежегодными инвестициями в 200 млрд. тенге. Однако, ввод первых генерирующих мощностей возможен не ранее 2011 года. Встает вопрос о покрытии дефицита, растущий с ежегодным приростом потребления. Один из выходов из сложившейся ситуации усиление программ по энергосбережению. В энергоемких производствах таких, как добыча и выплавка меди, электролиз меди, прокат черных металлов производство стали, чугуна потребляется в 2-5 раз больше энергии, чем в аналогичных производствах развитых стран.

Одним из актуальных вопросов является энергоснабжение удаленных потребителей.

Значительная территория Казахстана при централизации электроснабжения обуславливают наличие распределительных линий электропередач, составляющей около 360 тыс км.

Содержание электрических сетей большой протяженности, равно как и значительные потери электроэнергии (25-50%) при транспорте ухудшают экономику энергоснабжения. Часть сельских электросетей пришла в негодность и восстановление их экономически нерентабельно. По данным Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан сельских населенных пунктов лишены централизованного электроснабжения. В Казахстане насчитывается несколько тысяч фермерских хозяйств (порядка 9 тысяч), также лишенных электроснабжения. В ряде регионов остро стоит вопрос водоснабжения сельских потребителей, в том числе из-за отсутствия энергоснабжения. Так, только в Мангистауской области таких населенных пунктов насчитывается 35 с общим количеством населения более 28 тыс. человек. Отсутствие электро-водоснабжения значительно ухудшают условия социально-экономического развития удаленных сельских территорий.

Вопрос электроснабжения удаленных от централизованного электроснабжения потребителей не поднимается. В рыночных условиях, когда на первом месте стоит вопрос окупаемости, потребители с низкой платежеспособностью остаются проигрыше. В тоже время эта проблема имеет социально-экономическое значение. Отсутствие электричества отражается на уровне жизни, развитии сельского производства. В итоге молодежь перебирается в города, покидая родные места, что приводит к упадку сельского хозяйства и снижению продуктовой безопасности все тех же городов.

Можно выделить следующие проблемы энергетического комплекса Казахстана:

-высокий процент изношенности оборудования;

- большая протяженность линий и концентрация электрических станций на севере республики, что является причиной дефицита на юге;

- наличие удаленных населенных пунктов без электроснабжения;

- необходимость проведения мероприятий по сохранению экологии.

1.1.2 Возобновляемые источники энергии для электроснабжения удаленных потребителей Сотрудниками и магистрантами Алматинского университета энергетики и связи разработана методика расчета влияния удаленности и мощности потребителя на эффективность использования возобновляемых источников энергии [3]. На основе полученной методики определения себестоимости электроэнергии для питания удаленных потребителей в работе приведены результаты сравнительного анализа влияния удаленности и мощности на себестоимость энергии.

На рисунке 1.1 приведена зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при различной удаленности.

Из полученных графиков видно, что электроснабжение потребителей мощностью менее 170 кВт эффективнее использовать. Для населенных пунктов удаленных более 20 км актуально, только автономное электроснабжение. Основная доля, не электрифицированных, населенных пунктов попадают в категорию удаленности от централизованных электросетей на расстояние свыше 20 км.

С,тн/кВтч Р,кВт 43,5 183,95 ЛЭП ВЭУ а) Зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при удаленности 20 км;

С,тн/кВтч Р,кВт 43,5 183,95 ЛЭП ВЭУ б) Зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при удаленности 15 км;

С,тн/кВтч Р,кВт 43,5 183,95 ЛЭП ВЭУ в) Зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при удаленности км;

С,тн/кВтч Р,кВт 43,5 183,95 ЛЭП ВЭУ в) Зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при удаленности 5 км.

Рисунок 1.1 - Зависимость себестоимости электроэнергии от мощности при различной удаленности.

Для разработки и выбора системы электроснабжения требуется анализ возобновляемых источников с учетом особенностей графиков нагрузки и климатических условий. И проводить постоянное исследование направленные на повышение производительности энергетических установок, что поможет снизить себестоимость энергии.

Промышленно развитые страны и Казахстан сталкиваются с проблемой роста спроса на электроэнергию и окончанию срока эксплуатации крупных электростанций.

Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что в отсутствии активных мер в области энергосбережения мировая потребность в энергии к 2030 г. вырастет на 60%, потребует инвестиций в генерирующие мощности в размере 625 млрд. евро. Около половины этих средств потребуется для замещения выбывающих электростанций. В то же время поставки ископаемого топлива сокращаются. Некоторые крупнейшие мировые экономические системы вынуждены все больше полагаться на импорт топлива из регионов, где конфликты и политическая нестабильность ставят под угрозу безопасность поставок энергоресурсов. В этой связи заслуживает внимания потенциал энергосбережения, который можно реализовать в масштабах планеты. Согласно исследованию журналом «Ветроэнергетический ежемесячник» (Wind power Monthly, Jan. 2006), показывает, что, при средней скорости ветра более 7 м/с и стоимости строительства около 1000 евро/кВт установленной мощности, энергия ветра оказывается дешевле, чем энергия газа, угля и атома. Конкурентоспособность ветровой энергетики увеличилась благодаря недавнему повышению цен на углеводородное топливо, особенно на газ. В США это сделало ветровую энергетику привлекательной для многих энергокомпаний.

По сравнению с ископаемыми ресурсами с неустойчивыми ценами ветер - мощный естественный источник энергии, который постоянно доступен практически в любой стране мира и не зависит от колебаний цен на топливо, не подвержен изменениям мировой конъюнктуры.

Во многих регионах мира ветровая энергетика уже достигла уровня, который позволяет ей стать основным источником энергии. Невиданный темп развития отрасли отмечается в мировом масштабе. Ни одному из традиционных секторов энергетики в свое время не приходилось «брать такие вершины» в столь короткие сроки. С 1995 г.

установленная мощность ветровых электростанций в мире увеличилась более чем в 12 раз: с 4800 МВт до 59 000 МВт (на конец 2005 г.). С 2000 г. среднегодовой рост установленной мощности составлял 28%.

В европейских странах в объединенную энергосистему интегрировано более 40 ГВт мощностей, то есть технически и экономически это осуществимо. Уже в 2004 году в Дании 21% потребляемой электроэнергии обеспечивалось за счет ветровой энергетики, а в западной части страны ветровая энергетика может покрыть спрос на все 100%. В Испанской провинции Наварра доля ветроэнергетики в производстве электроэнергии составляет 60%.

Большинство современных ветроустановок отвечает самым жестким требованиям безопасности энергоснабжения, включая способность справляться со скачкообразными сбоями в сети. Выводы зарубежных специалистов - сетевиков подтверждают, что проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветроустановок начинаются после достижения ими доли в 20-25% от общей установленной мощности системы.

По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперед» или спотовом режиме превышает сегодня 95%. Специалисты подтвердят, что это очень высокий уровень для любого типа генерации. Зарубежная практика подтверждает, что правильное планирование развития сетей с учетом перспективы размещения станций на основе возобновляемых источников приводит к повышению надежности и качества работы сетей за счет децентрализации производства энергии и увеличения числа точек такой генерации.

Ряд новейших исследований показывает, что обеспечение существенного вклада в производство электроэнергии за счет ветровой энергетики технически и экономически осуществимо, причем в том же объеме, что и вклад традиционных технологий в прошлом столетии.

При ценовом сопоставлении ветровой энергетики и других генерирующих технологий используют тарифы, не отражающие социальных и экологических издержек, вызываемых последствиями сжигания ископаемого топлива или использования ядерной энергии. Такие издержки, как загрязнение воздуха и радиационное воздействие, не включаются в стоимость электроэнергии. Общеевропейское исследование, известное как проект «Extern E», проводившееся в 15 государствах - членах ЕС, определило величину таких издержек для ряда энергоносителей. Результаты проекта, опубликованные в 2002 году, показали, что ветровая энергетика имеет наименьшие скрытые издержки, составляющие 0,15-0,25 евро центов[кВт·час. Для сравнения, в угольной энергетике эти издержки составляют 2-15 евро центов/кВт·час. Аналогичные исследования для Казахстана показали, что эти издержки составляют 7 тенге/кВт·час.

В исследовании сделан вывод: если бы негативное воздействие на окружающую среду и здоровье учитывалось в стоимости, то цены на электроэнергию, производимую угольными станциями и ТЭС на мазуте, увеличились бы вдвое, а цена на электроэнергию газовых станций возросла бы на 30%.

На основе приведенных результатов исследований к преимуществам ветровой энергетики можно отнести:

- низкую себестоимость - ветроэнергетика может конкурировать с ядерной, угольной и газовой энергетикой;

- нулевую стоимость топливной составляющей, источник энергии неисчерпаем и присутствует в неограниченных количествах, не требует транспортировки;

- экологически приемлемая энергетика - производство энергии не сопровождается выбросами двуокиси углерода;

- ветроэнергетика не имеет рисков, связанных с нестабильностью цен на ископаемое топливо;

- надежность поставок - ветроэнергетика позволяет избежать зависимости от импорта энергоресурсов;

- модульный дизайн, быстрый монтаж;

- электроснабжение по объемам сравнимое с традиционными способами генерации;

- ветроэнергетика не мешает ведению сельского хозяйства и промышленной деятельности вблизи ветростанций.

Ветровая энергетика является наиболее перспективным и альтернативным источником энергии для Казахстана с его географическими, климатическими и энергетическими особенностями.

Выводы по разделу 1. У энергетиков существуют следующие проблемы: высокий процент изношенности оборудования, существует энергодефицитная южная зона, что связано с большой протяженностью линий и концентрацией электрических станций на севере республики, наличие удаленных населенных пунктов без электроснабжения, высокая концентрация вредных веществ в выбросах электрических станций.

2. Электроснабжение удаленных населенных пунктов при малой мощности целесообразно использовать только автономное электроснабжение с применением возобновляемых источников энергии.

3. Ветроэнергетика является одним из перспективных экологически чистых источников энергии.

2. ВЕТЕР КАК ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ 2.1.1 Природа ветра Причиной возникновения ветра на Земле является неравномерное нагревание ее поверхности Солнцем, вызванной неоднородностью поверхности и ее рельефа, а также вращением Земли. Зона затишья со слабыми переменными ветрами у земной поверхности находиться на экваторе [3-12]. В этой же зоне в верхних слоях дуют восточные ветры значительной силы. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт. Они отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Вблизи больших континентов эти течения нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов находится в диапазоне от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км* в зависимости от времени года и от места.

Рисунок 2.2 - Схема общей циркуляции земной атмосферы В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70° на всех высотах возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, в соответствии с рисунком 2.2.

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам. Эта циркуляция называется муссонами.

Возникают муссоны по следующим причинам.

Главным энергетическим показателем ветра является мощность ветрового потока. Она определяется по выражению [5-12] Р ( FV ) V 2 / 2 FV 3 / 2, (2.1) где F – площадь поперечного сечения ветропринимающей части ветродвигателя;

V - скорость ветра;

- плотность воздуха.

Часто для прогноза ветропотенциала используют показатель удельной мощности ветра. Это мощность, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока Pуд P / F V 3 / 2. (2.2) Зависимость удельной энергии ветра на различных скоростях ветра принимает вид в соответствии с рисунком 2.3. В результате удельная мощность ветра на уровне моря увеличивается от 54 Вт/м2 при скорости ветра 4,5 м/с до 1,5 кВт/м2 при скорости ветра 13, м/с и до 7 кВт/м2 при 22,5 м/с. Из-за снижения плотности воздуха удельная мощность ветрового потока снижается.

Рисунок 2.3 Зависимость удельной мощности ветра Руд, от его скорости V и высоты над уровнем моря h.

В расчетах используют зависимости мощности ветрового потока от площади и скорости ветра, для одного уровня над морем. Данные зависимости при различных скоростях ветра приведены на рисунке 2.4.

Мощность ветрового потока пропорциональна площади поперечного сечения, через которую он протекает. В соответствии с рисунком 2.4 на уровне моря поток со скоростью м/с и площадью поперечного сечения 9,3 м2 обладает мощностью около 4 кВт, при увеличении площади до 93 000 м2 она достигает 40 МВт.

Рисунок 2.4 - Зависимость мощности ветрового потока Р на уровне моря от сечения потока F и скорости ветра V.

Ветер обычно часто изменяется по направлению, и его скорость может быстро изменяться, характерно наличие больших порывов ветра.

Изменение скорости ветра происходит с увеличением высоты. Различные препятствия на земной поверхности сильно влияют на скорость и направление воздушных течений. Это влияние по мере увеличения высоты над земной поверхностью уменьшается и на некоторой высоте оно почти пропадает. Средняя скорость ветра значительно изменяется по сезонам в течение года. В большинстве мест его амплитуда часто в 2 или 3 раза выше зимой, чем летом. График, показывающий число часов в году, в течение которых ветер в данном месте достигает различной среднечасовой скорости, называют кривой повторяемости скоростей ветра.

Повторяемость является основной величиной, характеризующей ветер с энергетической стороны. Ввиду непостоянства ветра, изучение его повторяемости представляет весьма трудную задачу. На основании длительных исследований ряд учёных дали математические зависимости, которые позволяют с той или иной точностью находить теоретическую величину повторяемости ветра в данном районе. Ещё в 1889 г, проф. Срезневский вывел математическую зависимость, которая даёт для Ленинграда относительно близкое совпадение теоретической повторяемости ветра с фактической. М. М. Поморцев впервые установил зависимость, которая даёт повторяемости ветров, близкие к действительным, в районах со среднегодовыми скоростями, не превышающими 5 м/сек. Более поздние теоретические данные о повторяемости ветра предложены Гулленом. Кривыми Гуллена надлежит пользоваться при определении повторяемости скоростей ветра для районов со средними скоростями от 4 - 3 м/сек., кривые же Поморцева дадут более точные значения повторяемости для районов со средними скоростями ветра меньше 6 м/сек.

Кривые, показывающие распределение среднегодовой мощности ветра, приходящейся на единицу площади, в зависимости от скорости ветра называют кривой распределения среднегодовой удельной мощности.

По оценкам Лаборатории Sandia, учитывающим кубическую зависимость между энергией ветра и его скоростью, а также порывистость ветра, который редко бывает установившимся, действительная энергия ветра, возможная в данном месте, может в 2 или раза превышать энергию, подсчитанную по среднегодовой скорости ветра в этом месте.

Поэтому в зависимости от чувствительности ветродвигателя к этим изменениям скорости ветра, ожидаемые его характеристики, определяемые по среднегодовой скорости ветра, могут быть заниженными.

Распределение среднегодовой удельной энергии ветра равно распределению среднегодовой удельной мощности, умноженной на число часов в течение года повторяемости соответствующей скорости. На рисунке 2.5 приведен типовой график распределения среднегодовой удельной энергии ветра.

1 - наиболее частая скорость ветра;

2 - V=5,8 м/с (суммарная Wуд=1800 кВт*ч/(м2*год).

Рисунок 2.5 - Типовое распределение среднегодовой удельной энергии ветра при различных скоростях V.

График распределения среднегодовой удельной энергии ветра при различных скоростях в данном месте показывает, что наибольшую долю энергии содержат скорости ветра, превышающие среднюю. Их вклад в суммарную среднегодовую выработку энергии, подсчитанную для всех его скоростей, обычно мал для скорости ветра, превышающей в раза его среднюю скорость.

Поэтому для получения точного прогноза нужно проводить замеры скорости ветра в режиме реального времени, время осреднение нужно выбирать с учетом конструктивных особенностей ветродвигателя и электромеханического преобразователя. Поэтому необходимо проводить усовершенствование методов исследования запасов энергии ветра.

При этих исследованиях наибольшее внимание уделяется соответствию суммарных распределений скорости ветра, характерным местам установки ветродвигателей, а также лучшей оценке энергии ветра для рассматриваемых мест с различными типами территорий.

Станции для получения этих данных расположены часто в укрытых местах и не характерны для ветровых зон, наиболее пригодных для использования ветродвигателей.

В оценке запасов энергии ветра в стране наиболее важна итоговая карта географического распределения энергии ветра. По карте легко определить площади со сравнительно высокими или, наоборот, низкими значениями ресурсов ветра. Ее оценки даются для типовых высот расположения от поверхности земли оси ветродвигателя: 15 м для малых ВЭУ и свыше 50 м для больших. Над областями со слегка пересеченной холмистой местностью оценки даются для открытых территорий, рассматриваемых в качестве потенциальных мест установки ветродвигателей.

Для расчета ветроэнергетических ресурсов необходимо знание распределения скоростей, а не средней скорости. Для использования данных ежечасных или трехчасовых измерений скорости ветра необходимо определить характерные кривые распределения частот. Однако высота анемометра и его местоположение значительно изменяются на многих станциях за период записи, для которого проводится обобщение данных. Эти изменения могут быть причиной значительных ошибок в оценке энергии ветра, обусловленных большой разницей в значениях энергии при изменении высоты и местоположения анемометра.

Определение суммарных данных по средней скорости ветра за желаемый период наблюдений может быть проведено на многих станциях при сохранении в течение этого периода неизменной высоты расположения анемометра.

Известные эмпирические методы обеспечивают точность потенциала энергия ветра с точностью ±20 %, если использовать значение средней скорости ветра.

Ветер как источник энергии характеризуется не постоянством своих параметров, которые накладывают дополнительные требования к ветроустановкам и методам прогнозирования ресурсов. Все это требует стимулирования специалистов работать в этом направлении, что позволит конкурировать ветроэнергетике с традиционными электрическими станциями.

2.2 Мероприятия направленные на развитие ветроэнергетики в республике В Казахстане в последние годы проводиться работа по реализации Национальной Программы развития ветроэнергетики Республики Казахстан на 2007-2015 годы с перспективой до 2024 года. Данная программа разработана в соответствии с Постановлением Правительства РК № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики» и Проектным документом Правительства РК и Программы развития ООН «Казахстан-инициатива развития рынка ветровой энергии» от 27 июня 2004г.

Настоящая Программа отвечает целям и задачам следующих Государственных документов, где использование возобновляемых источников энергии признается как приоритетная задача:

- Стратегия индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003 2015 годы, утвержденной Указом Президента Республики Казахстан от 17 мая 2003 года № 1096;

- Концепция перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007- годы, одобренной Указом Президента Республики Казахстан от 14 ноября 2006г №216;

- Плану мероприятий на 2007-2009 годы по реализации Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, утвержденного постановлением Правительства Республики Казахстан от 14 февраля 2007г № 111-1;

- Концепция экологической безопасности Казахстана на 2004-2015гг, утвержденной Указом Президента Республики Казахстан от 3 декабря 2003г;

- «Концепция дальнейшего развития рыночных отношений в электроэнергетике Республики Казахстан» от 18 февраля 2004 года № 190;

- Законам Республики Казахстан «Об электроэнергетике» и «Об энергосбережении».

Республика Казахстан находится на этапе перехода к устойчивому социально экономическому развитию. В Республике проводятся мероприятия по развитию несырьевых отраслей промышленности и сельского хозяйства, что согласуется с задачей входа страны в 50 наиболее конкурентных стран мира. Как отмечалось выше, экономика страны характеризуется высокой энергоемкостью. Показатели удельного потребления энергии на единицу ВВП в несколько раз превышает показатели развитых стран. Высокая энергоемкость экономики приводит к нерациональному использованию топливно энергетических ресурсов, снижает конкурентоспособность экономики и приводит к существенному загрязнению окружающей среды, в том числе парниковыми газами. В Стратегии индустриально - инновационного развития Республики Казахстан поставлена задача снижения энергоемкости экономики в два раза к 2015г. В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы предполагается, что доля альтернативных источников энергии должна составить 5% в общем энергетической балансе страны к 2024г.

Национальная Программа развития ветроэнергетики направлена на вовлечение в энергетический баланс страны значительных ветроэнергетических ресурсов и, таким образом, поддержке планов по снижению энергоемкости экономики и увеличению доли альтернативных источников энергии в общем энергетическом балансе страны до 5% к 2024г и стабилизации выбросов парниковых газов на уровне 1990гг.

Казахстан обладает значительными ресурсами возобновляемой энергии в виде гидроэнергии, энергии солнца, ветровой энергии, биомассы. Однако, помимо части гидроэнергии, эти ресурсы не нашли широкого применения вплоть до настоящего времени.

В настоящее время во всех регионах Казахстана, за исключением энергоизбыточной зоны, будет сохраняться региональный дефицит мощности и электроэнергии.

Централизация электроснабжения на базе крупных угольных электростанциях с передачей мощности и электроэнергии в энергодефицитные регионы будет продолжать играть доминирующую роль в электроэнергетической отрасли, что предопределяет необходимость дальнейших инвестиций в расширение энергосетевого хозяйства, а также увеличение потерь электроэнергии при транспорте и загрязнение окружающей среды, в том числе выбросами парниковых газов [13].

Альтернативой централизованного электроснабжения на базе крупных угольных электростанциях, с учетом целей и задач, поставленных в Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, а также международных обязательств Республики Казахстан по выполнению программ и мероприятий по предотвращению воздействия на изменение климата, является использование местных возобновляемых источников энергии.

Учитывая планы наращивания мощности и производства электроэнергии практически во всех регионах Казахстана, где есть потенциал возобновляемых источников энергии, сохраняется актуальность использования возобновляемых источников энергии.

Республика Казахстан по своему географическому положению находится в ветровом поясе северного полушария. Значительная часть территории Казахстана обладает достаточно сильными воздушными течениями, преимущественно Северо-восточного, Юго-западного направлений [13]. В ряде районов Казахстана среднегодовая скорость ветра составляет более 6 м/с, что делает эти районы привлекательными для развития ветроэнергетики. В этой связи Казахстан рассматривается как одна из наиболее подходящих стран мира для использования ветроэнергетики. В рамках проекта Программы развития ООН «Казахстан-инициатива развития рынка ветровой энергии» с целью определения энергетических запасов ветровой энергии были выбраны места расположения метеостанций. Измерения проводились с по 2008 года. На рисунке 2.6 приведена карта с метеостанциями.

Рисунок 2.6 - Карта Казахстана с изображением месторасположения метеостанций.

По данным, полученным с метостанций, ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается как 1820 млрд. кВтч электроэнергии в год.

По результатам трехлетних исследований составлен ветровой атлас, который приведен на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Ветровой атлас Казахстана Хорошие ветровые районы имеются в центральной части Казахстана, в Прикаспии, а также в ряде мест на Юге, Юго-Востоке и Юго-Западе Казахстана. Исследования ветроэнергетического потенциала в ряде мест по территории Казахстана, проведенные в рамках проекта Программы развития ООН по ветроэнергетике, показывают наличие хорошего ветрового климата и условий для строительства ВЭС в Южной зоне (Алматинская, Джамбульская, Южно- казахстанская области), в Западной зоне (Мангистауская и Атырауская области), в Северной зоне (Акмолинская область) и Центральной зоне (Карагандинская область).


Наличие свободного пространства позволяют развивать мощности ВЭС до тысяч МВт. Исследования распределения ветроэнергетического потенциала по территории Казахстана должны быть продолжены с целью определения перспективных площадок для строительства ВЭС. Моделирование развития электроэнергетического сектора Казахстана с использованием компьютерных моделей (программа Маркал была представлена для исследований КазНИИЭК, МООС и УР) показало, что в условиях роста цен на энергоносители, привлечения инвестиций в модернизацию и обновление генерирующих мощностей, ветроэнергетика будет востребована на рынке электроэнергии в размере до МВт к 2015г и порядка 2000 МВт к 2024г.

На Юге и Западе Казахстана спрос на ветроэнергетику появится уже к 2015г, что обусловлено возрастающим дефицитом электроэнергии и ростом цен на газ, используемый на местных электростанциях, а также импортом электроэнергии из Центрально-азиатских Республик.

Всемирное вовлечение возобновляемых источников энергии в производство электроэнергии позволяет добиться стабилизации выбросов парниковых газов от энергетического сектора. Однако, в условиях существующего рынка электроэнергии ветроэнергетические ресурсы Казахстана практически не осваиваются. Основной причиной является неконкурентность ветроэнергетики на рынке электроэнергии при электроснабжении от централизованных систем электроснабжения. Стоимость электроэнергии от ВЭС с учетом возврата инвестиций может составлять порядка 8-12 тг/кВтч. Стоимость электроэнергии на шинах энергопроизводящих организаций составляет в настоящее время – 2-4,5 тг/кВтч.

Прогнозируемая стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций к 2015г может составить: в Южном зоне – 5,5-8,5* тг/кВтч, Западной зоне – 5-6 тг/кВтч, Акмолинской области – 5,5-7,9* тг/кВтч, Карагандинской области – 6-7,5 тг/кВтч ( стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций Павлодарской области с учетом транспорта по сетям КЕГОК). При определении стоимости электроэнергии в проекты закладываются ветроустановки зарубежных производителей, что существенно повышает их стоимость. Для повышения конкурентоспособности ветроэнергетики необходимо освоить производство ветроустановок в республике и первые годы использовать ветроустановки для электроснабжения автономных удаленных потребителей. Освоение серийного выпуска ветряных электростанций позволит повысить конкурентоспособность возобновляемых источников энергии. Также, необходимо отметить, что после возврата инвестиций, ветроэнергетика вполне может быть конкурентной на рынке электроэнергии. При экономических расчетах нужно учитывать повышение цен на углеводородное топливо, тогда эффективность от применения возобновляемых источников энергии повыситься. Таким образом, для привлечения инвестиций в развитие ветроэнергетики, как и других видов ВИЭ, необходимо принятие соответствующего законодательства с мерами по экономическому стимулированию использования ВИЭ, а также принятие государственной программы по развитию ветроэнергетики.

В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007- годы, предусматривается, что обеспечение устойчивого экономического развития Казахстана будет осуществлено путем поддержки экологически эффективного вторичного сырья.

В целях реализации Плана мероприятий на 2007-2009 годы по реализации Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, предусмотрено совершенствование законодательства по вопросам устойчивого развития Республики Казахстан, в том числе возобновляемых ресурсов и альтернативных источников энергии. В этой связи, Министерством охраны окружающей среды РК, при участии проекта ПРООН по ветроэнергетике разработана Концепция Закона и проект Закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».

Концепцией Закона и проектом Закона предусматривается оказание поддержки ВИЭ на рынке электроэнергии через введение обязательств для энергопроизводящих организаций по использованию ВИЭ для производства электроэнергии. В соответствии с этими обязательствами каждая энергопроизводящая организация должна иметь сертификаты возобновляемой энергии на определенный объем производимой электроэнергии. Сертификат возобновляемой энергии представляет собой документ-свидетельство, подтверждающий факт производства единицы электрической энергии от ВИЭ и передачи ее в электрическую сеть. При использовании ВИЭ энергопроизводящей организации предоставляется право выпускать и продавать сертификаты возобновляемой энергии на объем электрической энергии, произведенной с использованием ВИЭ. Стоимость сертификата отражает разницу между рыночной стоимостью электроэнергии и стоимостью электроэнергии от ВИЭ. Таким образом, энергопроизводящим организациям, использующим ВИЭ, предоставляется возможность продать электроэнергию на рынке электроэнергии, а также продать сертификаты, что обеспечит экономическую рентабельность использования ВИЭ. Покупка продажа сертификатов будет осуществляться в рамках Программы сертификатов возобновляемой энергии. Администрирование Программой сертификатов поручается Уполномоченному органу по возобновляемой энергии (Агентство по возобновляемой энергии (АВЭ). АВЭ будет покупать и продавать сертификаты энергопроизводящим организациям. Объем закупки сертификатов и обязательства энергопроизводящих организаций по сертификатам устанавливаются АВЭ на основании Программы сертификатов возобновляемой энергии. К настоящему времени Правительством РК принят Закон «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».

Таким образом, через Закон «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» будут поощряться инвестиции в развитие ВИЭ для достижения установленных показателей по использованию ВИЭ для производства электроэнергии.

2.3 Ветровые режимы Казахстана В рамках программы развития ветроэнергетики в Казахстане проведены и получены сведения о ветровой активности в намеченных регионах. Замеры производились в два этапа.

На первом этапе замеры проводились в Алматинской области с 1998 по 1999 годы. Она считается одной из перспективных. В таблице 2.1 приведены координаты метеотачт, установленных в Алматинской области.

Таблица 2.1- Места проведения измерений ветропотенциала с помощью метеомачт (1998-1999 г.г.) Область Наименование площадки Координаты СШ. В.Д.

Алматинская Джунгарские ворота 45°25,88I 82° 16.09I Алматинская Чиликский коридор 43°43,13I 78° 44.65I На втором этапе замеры производились во всех перспективных районах республики.

Замеры производились в период с 2006 по 2007 года. В таблице 2.2 приведены координаты всех метеорологических мачт.

Таблица 2.2 - Места проведения измерений ветропотенциала с помощью метеомачт (2006-2007г.г.) Наименование Координ-ы Location, Область Район Zone площадки СШ ВД WGS 0537804E N49 23. Карагандинская Каркаралинский Karkaralinsk 43U 5471255N E75 31. 0366578E N51 36. Акмолинская Ерейментаусский Ermentau 43U 5719668N E73 04. 0662646E N51 08. Акмолинская г. Астана Astana 42U 5668211N E7119. 0343192E N50 14. Кустанайская Аркалыкский Arkalyk 42U 5568627N E66 48. 0599650E N47 16. Атырауская Атырауский Atyrau (Karabotan) 39T 5237390N E52 19. 0446312E N44 27. Мангыстаусская Тюбкараганский Fort - Shevchenko 39T 4922576N E50 19. 0491312E N43 17. Жамбыльская Курдайский Kurdai 43T 4793800N E74 53. Южно - 0513340E N43 04. Байдыбекский Zhuzumdyk 42T Казахстанская 4769229N E69 09. Программа исследований включала в себя замеры скорости ветра, плотности воздуха и влажности. На базе полученных показаний для перечисленных пунктов сделан прогноз количества энергии, которое можно получить в течение года. Разработаны проекты с расчетом требуемых инвестиций и сроков окупаемости.

На рисунке 2.8 приведена роза ветров и энергии дл проектов Астана и Ерментау. Из рисунка видно, что ветер носит политропный характер. Наблюдается преобладание юго восточного направления. Распределение энергии ветра показывает, что основная часть энергии ветра идет с юго-восточного направления. Учитывая политропный характер розы ветров, становится очевидным применение вертикально-осевых ветродвигателей.

Аналогичные данные получены для проекта Кордай. Роза направления ветра и роза энергии ветра на высоте 49 м, показаны на рисунке 2.9. Роза направления ветра и роза энергии ветра показывают, что преобладающее направление ветра, а также основной поток энергии ветра имеют северо-восточное направление. Сезонное распределение скорости ветра для Астаны приведено на рисунке 2.10. Распределение скорости ветра носит относительно равномерный характер. Большие скорости ветра приходятся на месяцы декабрь, январь и май. В соответствии с рисунком 2.10 сезонное распределение скорости ветра для Кордая наиболее высокие скорости ветра приходятся на май, август и сентябрь.

Рисунок2.8 Роза направления ветра (слева) и роза энергии ветра (справа) для Астаны.

Рисунок2.9 - Роза направления ветра (слева) и роза энергии ветра (справа) для Кордая.

Рисунок 2.10 – Сезонное распределение скорости ветра для Астаны Рисунок 2.11 – Сезонное распределение скорости ветра для Кордая.

По результатам расчетов полезная годовая выработка энергии ветровой турбиной Vestas NM82 в Астане может составить 115 627 Мвт*ч/г. В Кордае она в год выработает полезной энергии в 84 125 Мвт*ч/г.

В соответствии рисунком 2.10 распределения скорости ветра ее диапазон изменения очень широкий от нескольких метров до 25 м/с и выше. В соответствии с рисунком 2. мощность ветровой турбины растет до 12 м/с и достигает значения 1800 кВ. Рабочий диапазон скоростей лежит пределах от 4 до 22 м/с. При увеличении скорости ветра свыше м/с система автоматики ограничивает скорость вращения мощность, что ведет к снижению производительности. Это связано с конструкцией ветродвигателя и электрического генератора, используемого в ветроэлектростанции.

Рисунок 2.11 - График мощности турбины Vestas NM Ветроэлектрические установки для эффективной работы в Казахстане должны работать в широком диапазоне изменения скоростей ветра, быть не чувствительными к изменениям направлениям ветра и работать при широком диапазоне изменения мощности.


2.4 Достижения ветроэнергетики в республике Ученые Казахстана более десяти лет ведут активную работу по разработке адаптированных к ветровым режимам республики ветродвигателей. К настоящему моменту многие добились определенных результатов. В первую очередь нужно отметить д.т.н, профессора Каз НАУ им. Аль-Фараби Ершина Ш.А. [14]. Под его руководством разработаны вертикально осевые ветродвигатели «Бидарье», методики аэродинамического расчета.

Отсутствие промышленного выпуска данного типа ветродвигателей объясняется наличием проблем по принципу работы и согласованности характеристик электрогенераторов с характеристиками ветродвигателя.

Под руководством профессора Алматинского университета энергетики связи, д.т.н.

Болотова А.В. разработана вертикально-осевая ветровая турбина ВРТБ. Она обладает рядом преимуществ перед известными конструкциями ветровых турбин [17-19]. На рисунке 2. приведена конструкция ветродвигателя ВРТБ. Важными отличиями этой установки являются:

- модульная конструкция ветродвигателя;

- применения согласованного специального генератора с максимальной адаптацией с ветродвигателем;

- применение специального направляющего аппарата.

Ветродвигатель состоит из нескольких модулей, количество которых зависит от требуемой мощности и расчетной скорости. Для подключения дополнительного модуля достаточно установить его на уже имеющиеся модули и не требуется вносить изменения в конструкцию ветроэлектростанции. Замена модуля требующего ремонта не требует разборки всей установки. Модульная конструкция ветродвигателя увеличивает прочность конструкции, за счет уменьшения длины лопасти, создающей тяговую силу.

4 6 V 1-основание, 2-ветродвигатель, 3-колпак, 4- анемометр, 5- молниеотвод, 6-статор ветродвигателя, 7-ротор ветродвигателя.

Рисунок 2.12 - Ветроэлектроустановка ВРТБ Каждый модуль состоит из неподвижного статора (направляющего аппарата) и расположенного внутри него вращающегося ротора. Направляющий аппарат состоит из пластин, а ротор турбины содержит выпукло-вогнутые лопатки. Направляющий аппарат ориентирует воздушный поток на лопатки ротора и концентрирует его (диффузор).

Благодаря оригинальной конструкции направляющего аппарата, в создании вращающего момента участвует большая часть лопаток ротора.

Степень концентрации воздушного потока соответствует коэффициенту сужения воздушного потока и определяется соотношением внешнего и внутреннего диаметра направляющего аппарата. Рекомендуемое отношение диаметров составляет 1,33.

Концентрация воздушного потока увеличивает частоту вращения и мощность, развиваемую турбиной. Коэффициент использования энергии ветра зависит от коэффициента торможения потока. Он определяется отношением линейной скорости лопасти ротора к скорости ветра, обдуваемого ветродвигатель. В известных ветродвигателях аналогичной конструкции коэффициент торможения составляет 0,33. Использование концентрации воздушного потока увеличила это значение до 0,55.

Увеличение коэффициента торможения повышает частоту вращения при одинаковых скоростях ветра, следовательно, уменьшает габариты электромеханического преобразователя. Оригинальная форма лопаток ротора обеспечивает создание в ней подъемной силы и давление напора. Одновременное действие этих сил и вращают ротор.

Оригинальная конструкция ветродвигателя позволяет увеличивать мощность ветродвигателя путем установки дополнительных модулей, без существенного повышения стоимости станции, на монтаж станции требуется от пятидесяти минут до двух часов, в зависимости от квалификации обслуживающего персонала и количества модулей. Указанное время не учитывает времени на подготовку фундамента. Конструкция ветродвигателя проста в изготовлении, а его производство можно наладить на предприятиях с персоналом в сто двести человек.

Описанный ветродвигатель обладает следующими преимуществами:

- профиль лопастей использует напор ветра и подъемную силу, формирующуюся в ней;

- развиваемая мощность не зависит от направления ветра;

- модульная конструкция ветродвигателя повышает живучесть станции, поломка отдельных лопастей турбины модуля не препятствует работе не поврежденных модулей, станция продолжает работать с меньшей производительностью;

- наличие направляющего аппарата, концентрирующего воздушный поток;

- удобное расположение электромеханического преобразователя в нижней части при монтаже и обслуживании;

- возможность наращивания мощности ветроэлектростанции без замены существующего агрегата.

Одним из главных узлов ветроэлектростанции является электромеханический преобразователь. Он преобразует механическую энергию на валу ветродвигателя в электрическую энергию. От степени согласованности его энергетических характеристик с энергетическими характеристиками ветродвигателя зависит производительность ветроэлектростанции. В предлагаемом ветродвигателе обороты ветродвигателя изменяются в зависимости от скорости ветра, которые изменяются широком диапазоне. Одним из требований предъявляемых электромеханическому преобразователю это обеспечение постоянства выходного напряжения при переменной частоте вращения. На первый взгляд разработка генератора с широким диапазоном регулирования магнитного потока решит проблему по получению широкого диапазона.

2.5 Требования к электрогенераторам вертикально-осевой ветроэлектростанции Из изложенного следует, актуальным является задача разработки электрогенератора способного поддерживать постоянство напряжения и оптимальный режим работы ветродвигателя при широком диапазоне изменения частоты вращения и мощности с сохранением высокого коэффициента полезного действия.

Рабочие характеристики ветродвигателя представляют зависимость мощности ветродвигателя при заданных скоростях ветра от частоты вращения (оборотов). Расчеты производят для всего диапазона изменения рабочих скоростей ветра. На рисунке 2. приведены рабочие характеристики ветродвигателя ВРТБ, из которых виден дугообразный характер зависимости мощности 1, 2, 3 от частоты вращения при определенных скоростях ветра. Вершины этих кривых соответствуют оптимальному режиму ветродвигателя, при котором он работает с максимальным коэффициентом использования ветрового потока. На рисунке видно, что ветродвигатель может работать с максимальной мощностью при наблюдаемой скорости ветра только при определенной частоте вращения. Ветродвигатель ВРТБ развивает максимальную мощность при загруженности, которая составляет 0,55 от частоты вращения на холостом ходу (без нагрузки на валу). Линия 4 на рисунке 2.13, проходящая по вершинам кривых, описывает оптимальный режим ветродвигателя во всем диапазоне рабочих скоростей ветра.

Согласованным считается электромеханический преобразователь способный обеспечить оптимальный режим работы ветроэлектростанции во всем диапазоне изменения рабочей скорости ветра.

Р, кВт 5 n, об/мин 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1, 2, 3 - рабочие характеристики ветродвигателя при скорости ветра 25, 14, 6 м/с соответственно, 4 – оптимальный режим ветродвигателя.

Рисунок 2.13 - Рабочие характеристики ветродвигателя ВРТБ Электромеханический преобразователь должен обеспечить нагрузку ветродвигателя согласно кривой мощности 4 в соответствии с рисунком 2.13 и при этом сохранить удовлетворительный коэффициент полезного действия (КПД). Известно, что мощность ветродвигателя изменяется пропорционально кубу скорости ветра Р f (V ), а частота вращения, если он работает с максимальным коэффициентом использования энергии ветра, n f (V ). Сложность разработки такого первой степени скорости ветра электромеханического преобразователя заключается:

а) в широком диапазоне изменения частоты вращения, который обусловлен конструкцией ветродвигателя ВРТБ и поставленной задачей расширить рабочий диапазон изменения скорости ветра с 3-4 м/с до 25 м/с и выше, сложно поддерживать постоянство выходного напряжения при изменении частоты вращения, которая прямопропорциональна скорости ветра;

б) в обеспечении удовлетворительного коэффициента полезного действия ЭМП в широком диапазоне изменения частоты вращения и генерируемой мощности от сотен Вт до десятков кВт.

Особенно сложно поддерживать постоянство вырабатываемого напряжения и сохранять удовлетворительный коэффициент полезного действия генератора (0,7-0,9) при низких скоростях ветра, когда мощность ветродвигателя низкая, а величина потерь в генераторе соизмерима с вырабатываемой мощностью.

В связи с этим широкое применение нашел метод регулирования с поддержанием постоянной частоты вращения [20]. Идея метода заключается в ограничении диапазона рабочих частот вращения ветродвигателя, что частично решает проблему по созданию требуемого ЭМП. Мощность ВЭС растет до номинального значения, при этом частота вращения изменяется в узком диапазоне. После достижения номинальной или расчетной мощности в работу вступает система управления, которая ограничивает мощность и частоту вращения.

На рисунке 2.18 приведена зависимость производительности ветроэлектростанции с поддержанием постоянства частоты вращения ветродвигателя. Заштрихованная часть графика вд показывает мощность, которую развивает ветродвигатель при изменении скорости ветра и отсутствии ограничения, не заштрихованная часть вэс показывает мощность, которую вырабатывает ВЭС. Согласно рисунку можно выделить три основных режима работы: режим разгона, основной (рабочий) режим и режим вывода из работы.

Режиму разгона соответствует участок вд при изменении скорости ветра от Vмин до Vн. На этом участке идет увеличении вырабатываемой мощности до ее номинальной величины Pн.

При дальнейшем увеличении скорости ветра ВЭС переходит в основной режим. Основному режиму соответствует участок при изменении скорости ветра от Vн до Vмак. В основном режиме работы начинает действовать система управления, которая ограничивает мощность путем поддержания постоянства момента и частоты вращения ВД. Если скорость ветра превысит Vмак ВЭС переходит в режим останова.

Р, кВт Pвд Pвэс Рн Vмак Vнач Vн V, м/с 5 10 15 20 25 30 1- развиваемая ВЭС мощность, 2 – теряемая ВЭС мощность.

Рисунок 2.18 - Зависимость производительности ветроэлектростанции с ограничением частоты вращения ветродвигателя Она выводится из под ветра и ожидает снижения скорости ветра. Регулирование с поддержанием постоянства частоты вращения ветродвигателя, уменьшает производительность ВЭС. Площадь участка 1 соответствует мощности, вырабатываемой ВЭС, при использовании ограничения. Площадь заштрихованного участка 2 соответствуют мощности, которая теряется. Из рисунка видно, что мощность станции при максимальной скорости ветра в несколько раз меньше мощности, которую может выработать ВЭС.

Если учесть среднегодовое удельное распределение энергии [5], согласно которому высокие скорости ветра с меньшей повторяемостью вносят большую долю энергии, чем средние и низкие скорости, обладающие большей повторяемостью, то доля срезаемой энергии окажется сопоставимой с преобразованной энергией. В работе Бакенова К.А. [5] приводится производительности ветроэлектростанции во всем диапазоне рабочих скоростей ветра при ограничении частоты вращения ветродвигателя и без ограничения частоты вращения. В расчете коэффициент использования ветровой энергии при всех скоростях ветра принимался постоянным. Среднегодовая скорость ветра принята равной 8 м/с, кривые повторяемости ветра взяты по Гуллену. Расчетная мощность 19 кВт, что соответствует шестимодульной ветроэлектростанции ВЭИ, расчетная скорость ветра равна 23 м/с.

Ограничение частоты вращения начинается с 14 м/с. Из таблицы 1 видно, что доля энергии вносимой средними скоростями ветра (14-19 м/с) больше чем малыми скоростями, повторяемость которых в 2-3 раза выше. Доля энергии, вносимой в годовой фонт скоростью ветра 21 м/с с повторяемостью в десять раз ниже чем повторяемость скорости ветра 8 м/с в 1,8 раз больше. Энергия, вырабатываемая ВЭС, без регулирования частоты вращения составила Wпол =17,995 МВт*часов. Энергия, вырабатываемая ВЭС, с регулированием частоты вращения составила W рег =11,005 МВт*часов. Разница составила 6,990 МВт*часов, что составляет 38,8%.

Несмотря на широкое применение систем со стабилизацией номинальной частоты вращения ВД и успехи, достигнутые в этом направлении, наиболее слабым звеном остается ветродвигатель и звенья регулирования, из-за увеличения конструктивной сложности при максимальной напряженности звена [11]. Усложнение узла регулирования ведет к росту расходов на изготовление и эксплуатацию. Проведенное исследование рабочих характеристик подтверждает о целесообразности работы ветроэлектростанции без ограничения частоты вращения.

Разработка электромеханического преобразователя, согласованного с ветродвигателем позволит существенно повысит коэффициент использования ветровой энергии ветроэлектростанции, что повысит производительность и тем самым понизит срок окупаемости и себестоимость станции.

Широкое применение относительно нерационального решения, вызвано присущими каждой конструкции ветродвигателя особенностями и типом, используемого ЭМП.

Из проведенного анализа рабочих характеристик ветродвигателя вытекают и требования к электромеханическому преобразователю, указанным для ветроэлектростанции в целом, а также специальным требованиям:

- поддерживать постоянство напряжения и работоспособность при широком диапазоне изменения рабочей частоты вращения n f (V ) и мощности Р f (V ) ;

- в случае частичного повреждения, обеспечение живучести электромеханического преобразователя между плановыми техническими проверками;

- поддерживать удовлетворительный КПД во всем диапазоне изменения мощности и частоты вращения n, без существенного увеличения массогабаритных показателей;

- обладать способностью плавного регулирования, преобразуемой энергии, для обеспечения оптимального режима ветроэлектростанции;

- электромеханический преобразователь должен иметь прямое соединение с валом ветродвигателя, без дополнительных устройств регулирования частоты вращения.

Выводы по разделу 1. Казахстан обладает высоким потенциалом ветровой энергии, который оценивается в 1820 млрд. кВт*ч/г, что в несколько раз превышает потребность в энергии республики в настоящее время.

2. Правительством республики ведется активная работа по внедрению возобновляемых источников энергии в энергетический комплекс республики.

3. В республике имеются разработки вертикально-осевых ветроэлектрических станций прошедшие заводские испытания и получившие промышленное производство.

4. Актуальны разработки электрических генераторов для вертикально-осевых ветродвигателей для повышения производительности установок.

3. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВЕТРОЭЛЕКТРОСНТАНЦИЯХ 3.1 Электрогенераторы для ветроэлектростанций зарубежного производства Основными элементами типовой современной ветроэлектрической установки являются: ветроколесо, повышающий редуктор, генератор, башня, система автоматического управления и регулирования, которая обеспечивает ориентацию ветроколеса на ветер, систему буревой защиты, систему регулирования выходного напряжения и другие вспомогательные системы. ВЭУ малой мощности в целях экономии капиталовложений, как правило, имеют упрощённую конструкцию, обладающую худшими аэродинамическими характеристиками и лишь элементарными средствами регулирования.

Как следует из второго раздела, ветродвигатель ВРТБ относиться к классу тихоходных ветродвигателей. Линейная скорость перемещения его лопаток ниже скорости ветра. Следствием этого является невысокая скорость вращения первичного двигателя ветроколеса.

Современная ветроэнергетика, основанная на использовании традиционных электрических машин, в своем развитии зашла в экономический тупик. Это обусловлено действием нескольких факторов:

во-первых, рост единичных мощностей приводит к увеличению диаметра ветроколес и соответственно уменьшению угловой скорости, что ведет к усложнению установки, которое обусловлено использованием редуктора, удорожанию башни, которая рассчитывается как на массу генератора, так и на массу редуктора;

во-вторых, возможное использование ветроплотин на основе применения большого числа маломощных быстроходных ветроколес малого диаметра не решает проблему из-за несоответствия угловых скоростей даже быстроходных ветроколес угловым скоростям генераторов. Устранение этого несоответствия обычно требует многополюсного исполнения генераторов, что дополнительно усложняет и удорожает ветроагрегат;

в-третьих, любые модификации ветроприемников, в том числе использование крыльчатых движителей с вертикальной осью вращения, не увеличивают кардинальным образом соотношение эффективность - цена, а наоборот ведут к уменьшению этого соотношения за счет необходимости затрат на такие модификации, например, на пусковые устройства для крыльчатых движителей с вертикальной осью.

Таким образом, назрела необходимость поиска нового решения в создании ветроэлектроагрегатов, которые обладали бы уменьшенными массогабаритными показателями. Это, в свою очередь, могло бы способствовать широкому продвижению в практику устройств промышленной ветроэнергетики высокой эффективности.

Коротко укажем пути достижения этой цели:

- удаление промежуточной трансмиссии;

- использование высоких окружных скоростей концов лопастей ветроколес;

- увеличение нагрузки и улучшение теплофизических и механических характеристик;

- переход к конструкции генераторов встроенных в ветродвигатель.

Отличительной особенностью автономных систем электроснабжения является специфичность конструкций и характеристик электрических машин, что объясняется специальными условиями эксплуатации и требованиями, которые предъявляются к ним:

- высокая надёжность;

- максимальная простота и технологичность изготовления;

- удовлетворительные массогабаритные показатели;

- малая себестоимость;

- простота обслуживания.

На сегодняшний день ветроэлектрические установки малой и средней мощности, как правило, работают на аккумуляторную нагрузку, в связи с этим необходимо иметь на выходе ВЭУ постоянное напряжение. Этого можно достигнуть несколькими путями: либо используя генератор постоянного тока, либо синхронный генератор с выпрямителем.

Но при использовании машины постоянного тока существенно снижается надёжность и долговечность установки в целом из-за наличия коллекторно-щёточного узла.

Во-первых, по имеющимся статистическим данным щеточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин. Например, для коллекторных машин постоянного тока в среднем 25% отказов происходит из-за выхода из строя щеточно коллекторного узла (в транспортных установках доля таких отказов достигает 44-66%).

Во-вторых, щеточный контакт создает дополнительные электрические и механические потери, является источником шумов и помех.

В-третьих, щеточный контакт значительно сокращает срок службы (ресурс) электрической машины.

Наконец, щеточный контакт усложняет обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции, препятствует применению в машине высокоэффективного струйного жидкостного охлаждения, ухудшает стабильность параметров машины и т. п.

Кроме синхронных генераторов и генераторов постоянного тока в современных ветроэнергетических установках широкое применение нашли и асинхронные генераторы. Но их применение ограничено высокими скоростями вращения.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.