Ветроэнергетика в условиях Заполярья (стр. 2 из 2)

Мировая практика развития ветроэнергетики к настоящему времени накопила богатый опыт. Это позволило в том числе сформировать стандартные требования к ВЭУ, размещаемым в областях с холодным или полярным климатом. Для успешной работы ВЭУ в условиях Заполярья требуется применение хладостойкои стали для всех конструкций со сваркой; синтетической низкотемпературной смазки для основных подшипников; подогрева редуктора за счет внешних тепловых элементов; синтетического трансмиссионного масла в редукторе; синтетической низкотемпературной смазки для подшипников генератора; специальной жидкости для гидравлических систем ВЭУ, не теряющей своих свойств при низких температурах; подогрева контроллера; подогрева лопастей для исключения гололедных явлений и отложения изморози; обогрева метеорологических датчиков для предотвращения образования изморози и оледенения.

Рассмотрим эти требования подробнее.

Для холодного, но не экстремального климата, такого, как на северном побережье Норвегии, берегах Баренцева моря России, подверженных влиянию теплого течения Гольфстрим, нет необходимости использовать для ВЭУ морозостойкую сталь. Достаточно применять глубоко гальванизированные болтовые соединения. Обычный «датский» дизайн ВЭУ здесь вполне приемлем. Но на сибирском побережье Ледовитого океана для изготовления ВЭУ обязательно применение специальных хладостойких сортов стали.

Синтетическую низкотемпературную смазку для основных подшипников и подшипников генератора, а также синтетические масла для редуктора рекомендуется использовать в условиях холодного и арктического климата повсеместно, даже если для этого нет особой необходимости по условиям минимальной зимней температуры. Их стоимость практически находится на уровне стоимости обычных смазочных материалов, а последствия неправильной смазки могут обойтись очень дорого.

Подогрев редуктора с помощью внешних нагревательных элементов необходим только в условиях глубокого арктического климата. В принципе, в редукторе при естественных режимах работы выделяется достаточное количество тепла для эксплуатации его без подогрева в обычных северных условиях.

Для гидравлических систем ВЭУ на всех заполярных площадках должна применяться жидкость, пригодная для условий низких температур. Если этого не сделать и жидкость замерзнет в каком-либо патрубке гидравлического насоса, распредустройства или в регулировочном механизме лопастей, для ликвидации аварии и приведения турбины в нормальное рабочее состояние потребуется много усилий и средств.

Необходимо поддерживать положительную температуру вблизи контроллера ВЭУ. Если он замерзнет, его замена обойдется дорого, а за время простоя ВЭУ по причине неработающего контроллера будет потерян значительный объем выработки электроэнергии.

Обогрев лопастей должен применяться только в случае часто встречающихся явлений оледенения и отложения изморози на выбранной площадке. Обогрев лопастей «съедает» до 10% выработки электроэнергии, что существенно, зато обеспечивает полную работоспособность ВЭУ.

Обогрев анемометра и датчика направлений ветра очень полезны. Иней, лед, изморозь, осаждающиеся на чашечках анемометра, замедляют его вращение или полностью останавливают его, а это в свою очередь ведет к остановке ВЭУ (рис. 1). При фактической скорости ветра 10 м/с анемометр может показывать скорость 2 м/с, что ниже порога включения ВЭУ в работу, и установка будет стоять, несмотря на наличие вполне «рабочего» ветра. Результатом может быть снижение выработки ВЭУ на 10- 15% от годовой. Потребление электроэнергии на обогрев анемометра и флюгера намного меньше.

Использование энергии ветра для отопления в условиях холодного и заполярного климата

Ветер как климатический фактор увеличивает потребление тепла, особенно в районах с холодным климатом или в Арктике. В то же время ветер является экологически чистым возобновляемым источником энергии. Имеется несколько положительных предпосылок для того, чтобы превратить ветер из отрицательного климатического фактора в ценный источник энергии, обеспечивающий активный приход тепла именно в ветреные периоды.

Изучение режимов ветра севера Европейской части России и анализ публикаций на эту тему показывают, что максимальная интенсивность ветра имеет место в зимнее время — как раз тогда, когда наблюдается пик потребности в тепле. Внедрение в этих условиях ветроэнергетических установок могло бы обеспечить экономию до 20-50% дорогого привозного органического (в основном дизельного) топлива, используемого в котельных. Кстати, для выработки тепла не требуется электроэнергия высокого качества. В связи с этим конструкцию ВЭУ можно сделать как можно более простой, прочной и надежной.

В случае применения ВЭУ для теплоснабжения возможно успешное преодоление основного недостатка энергии ветра — ее нестабильности во времени, Краткосрочные вариации (минутные и секундные) выработки ВЭУ сглаживаются аккумулирующей способностью теплоснабжающей системы благодаря ее собственной инерции. Колебания мощности ВЭУ за время от нескольких минут до нескольких часов могут быть компенсированы аккумулирующей способностью отапливаемых зданий или с помощью специальных аккумулирующих устройств. Если ветра нет более длительное время, должны включаться в работу котельные на органическом топливе.

Рис.Удельные приведенные затраты в вариантах совместной работы котельной с ВЭУ при различной мощности ВЭУ ( = Nвэу/Nкот),стоимости топлива (ЗF) и удельных капиталовложениях в ВЭУ (kвэу).Мощность котельной равна 580 кВт (0.5 Гкал/ч),номинальная скорость ветра VN = 1.5 V.

Совместная работа котельной и ВЭУ имеет свои особенности. Часть тепловой нагрузки может быть покрыта за счет выработки ВЭУ, остальная часть — за счет котельной. В периоды активного ветра ВЭУ может обеспечивать теплом всю или большую часть тепловой нагрузки, даже иметь некоторый избыток выработки. Однако в морозные периоды со слабым ветром почти вся нагрузка будет покрываться котельной.

2 Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы развития ветроэнергетики на Кольском полуострове. — Апатиты, Изд. Кольского научного центра РАН, 1998.

Касаясь экономической целесообразности теплоснабжения потребителей с применением ВЭУ, необходимо отметить, что мощность ВЭУ, участвующей в теплоснабжении, и, соответственно, доля ее участия в балансе покрытия нагрузки имеют свой оптимум, соответствующий, например, минимуму приведенных затрат, после чего дальнейшее наращивание мощности ВЭУ невыгодно. Расчеты показывают, что основными факторами, определяющими эффективность внедрения ВЭУ, являются режим ветра, цена топлива и удельные капиталовложения. Чем выше цена топлива, тем выше доля экономически оправданного участия ВЭУ в покрытии тепловой нагрузки (рис. 2)2.

Опыт использования ВЭУ для теплоснабжения ветроэнергетического полигона Кольского научного центра РАН в поселке Дальние Зеленцы на побережье Баренцева моря и последующие технико-экономические расчеты на основе полученных данных показали целесообразность включения в систему теплоснабжения тепловых аккумуляторов. Аккумулирование избытков тепловой энергии в периоды активного ветра и не самых низких температур воздуха и дальнейшее использование их в периоды слабого ветра или безветрия позволяет поднять долю участия ВЭУ в покрытии графика нагрузки на 5-12% в зимние месяцы и на 23-29% в летние. Аккумулирование тепла дает возможность реже включать котельную и на более короткий период. В некоторые месяцы вся тепловая нагрузка может быть покрыта энергией, произведенной ВЭУ, что даст значительную экономию как в денежном выражении, так и в топливе, и позволит улучшить условия жизни малых изолированных поселков при холодном климате.