альтернативные источники. Ветроэнергетика
 Скачать 0.54 Mb.
|
Аккумулирование энергии.Под аккумулированием (накоплением) энергии понимается ввод какого-либо вида энергии в устройство, оборудование, установку или сооружение – в аккумулятор (накопитель) энергии – для того, чтобы эту энергию оттуда затем в удобное для потребления время снова в том же или в преобразованном виде получить обратно. В наше время, все больше развитых стран начинают диверсифицировать свою электроэнергетику посредством альтернативных источников энергии. Например, в Германии уже на сегодняшний день около 20% всей вырабатываемой электроэнергии приходится на долю возобновляемых генерирующих мощностей, а к 2020 году планируется довести этот показатель до 30%. Основной же проблемой таких источников, помимо высокой стоимости, является нестабильность вырабатываемых мощностей, а так же рассоглассованность между пиками в потреблении и выработки этой самой электроэнергии. И тут встает вопрос системы её наиболее эффективной аккумуляции. Проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии, является одной из важнейших и наиболее сложных задач современной энергетики. Выбор типа и емкости аккумулирующего устройства по своему существу относится к области оптимизации надежности энергоснабжения путем резервирования. С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи: Литиево-ионная система аккумулирования энергии на 5 МВт - выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает генерирующая установка в условиях постоянно меняющейся скорости ветра; - согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно; - снабжение объекта энергией по заданному графику; - увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой; - повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии. Для реализации большинства задач применяют, как правило, так назы-ваемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии определяется 2–3-суточным потреблением. Они рассчитаны на исполь-зование в периоды достаточно длительных спадов в генерации энергии. При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, должны приниматься во внимание многие характеристики аккумуляторов: - относительная масса; - удельные затраты; - длительность хранения энергии; - сложность энергетических преобразований; - безопасность эксплуатации и т.п. Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, режимов ветра, условий и схемы использования генерирующей установки; мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т.к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта. Графики нагрузки потребителя и источника энергии. Производство электрической и тепловой энергии на электростанциях и их потребле- ние различными пользователями - процессы взаимосвязанные.  Рис. Примерный график потребления электроэнергии в течение зимних суток в большом городе. В силу физических закономерностей мощность потребления энергии в какой-либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности. В этом заключается особенность энергетического производства. К сожалению, отсутствуют возможности складирования электрической и тепловой энергии. Практическое применение известных способов аккумулирования (накопления) различных видов энергии весьма затруднительно, В то же время работа отдельных приемников электрической и тепловой энергии неравномерна и суммарное потребление энергии также неравномерно. Потребителю требуется электроэнергии днем больше, чем ночью в рабочий день недели больше, чем в субботу и воскресенье, зимой больше, чем летом. Режим потребления электрической или тепловой энергии потребителем: предприятием, районом, городом. страной - в течение определенного отрезка времени: суток, месяца, года - отражается с помощью графика нагрузки. Соответственно, различав: суточный, месячный, годовой графики нагрузки. Итак, график нагрузки – это зависимость потребляемой мощности от времени суток, месяца, года. Графики нагрузки существенно отличаются для воскресных и рабочих дней, для зимних и летних месяцев и т.п. Графики нагрузки отдельных потребителей и в целом энергосистемы имеют неравномерный характер. На рис представлен примерный график потребления электрической энергии в течение зимних суток в большом городе. Вы видите два характерных пика: утром, в 8-9 часов (подъем людей и начало рабочего дня) и вечером, в 18—19 часов (наступление темноты и возвращение с работы) – и характерный ночной провал нагрузки. Из графиков нагрузки отдельных потребителей складывается суммарный график потребления для энергосистемы (ЭС) страны, так называемая национальная кривая нагрузки. Задача ЭС состоит в обеспечении этого графика. Количество электростанций в энергосистеме страны, их установленная мощность определяются относительно непродолжительным максимумом национальной кривой нагрузки. Это приводит к недоиспользованию оборудования, удорожанию энергосистем, росту себестоимости вырабатываемой электроэнергии. Отсюда выявляются важнейшие цели энергетического менеджмента: – обеспечение графиков нагрузки, – выравнивание национальной кривой нагрузки. Более ровная форма национальной кривой нагрузки означает более эффективное использование энергетических ресурсов в масштабах всей страны, и, следовательно, более успешную реализацию энергосберегающего потенциала. Обеспечить график нагрузки означает организовать бесперебойную подачу электроэнергии в часы максимального потребления при дефиците мощности в энергосистеме, а в часы минимума потребления энергии не допускать разгрузки той части генерирующего оборудования. В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии, около 80%, вырабатывается на ТЭС, для которых наиболее желателен равномерный график нагрузки. На агрегатах этих станций невыгодно производить регулирование мощности. Обычные паровые котлы и турбины тепловых станций допускают изменение нагрузки на 10-15%. Периодические включения и отключения ТЭС не позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности (часы этих процессов). Работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, износ- теплосилового оборудования и снижению его надежности. Еще более нежелательны переменные режимы для АЭС. Поэтому ТЭС и АЭС работают в режиме так называемых базовых электростанций, покрывая неизменяющуюся постоянную нагрузку энергосистемы, т.е. базовую часть графика нагрузки (рис. 2.6). Дефицит в маневренных мощностях, т.е. пиковые и полупиковые нагрузки энергосистемы покрываются ГТУ или парогазовыми установками на ТЭС, ГАЭС, ГЭС, у которых набор полной мощности от нуля можно произвести за 1-2 минуты. Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом: когда в системе – провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище, при этом запасается энергия; с наступлением пиков нагрузки включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия. Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что является отрицательным экологическим фактором. Целесообразно строительство ГЭС на быстрых горных реках. В Беларуси в настоящее время осуществляется программа восстановления построенных в довоенные годы малых ГЭС, которые являются экологически чистыми возобновляемыми источниками энергии и будут способствовать обеспечению маневренности Белорусской ЭС. Решение задачи выравнивания национальной кривой нагрузки связано с разработ-32 кой и реализацией политики управления спросом на энергию, т. е. управления энергопотреблением. Управление спросом на энергию можем осуществляться как социально- экономическими, так и техническими мероприятиями и средствами. Весьма действенным экономическим инструментом являются дифференцированные тарифы (цены) на электрическую и тепловую энергию: в периоды максимумов нагрузки тарифы выше, что стимулирует потребителей к перестройке работы с целью уменьшения потребления в часы максимума нагрузки энергосистемы. В дальнейшем будут рассмотрены и другие экономические механизмы обеспечения эффективности энергопотребления. Эффективной технической мерой выравнивания графиков нагрузок служит аккумулирование различных видов энергии. Идея заключается в том, что в часы провала нагрузки следует запасать электроэнергию, а в часы максимума - использовать ее. Представляет значительный интерес идея так называемого встречного регулирования режима потребления и способы ее практического осуществления. Суть ее состоит в том, чтобы стимулировать потребителя к максимальному потреблению в часы минимума ЭС и к минимальному потреблению в часы максимума ЭС. Способы аккумулирования энергии. Существуют различные способы аккумулирования энергии: химические, тепловые, электрические, механические в форме потенциальной или кинетической энергии. Одним из перспективных и эффективных способов химического аккумулирования энергии является получение водорода. Водород в сравнении с другими видами энергоносителей имеет важные преимущества: — максимальную удельную энергоемкость на единицу массы; — сырьем для получения водорода могут быть не только природные углеводороды, но и вода; — водород можно использовать для синтеза искусственных топлив, более эффективных, чем ископаемые; — для транспортировки и хранения синтетических топлив можно использовать существующую инфраструктуру; — водород и синтетические топлива можно применять в существующих энергетических установках, в том числе и на транспорте; — при использовании водорода для производства энергии практически не образуются вредные вещества; — водород — это наиболее эффективное топливо для прямого преобразования химической энергии в электрическую с помощью топливных элементов. Конечно, водород как энергоноситель не лишен и недостатков, которые сдерживают широкое его использование в энергетике. Он химически чрезвычайно активен, поэтому в природе существует только в связанном виде. Водород в 8 раз легче природного газа, и его удельная энергия на единицу объема невелика, что создает проблемы при его хранении и транспортировке. Как любой синтетический продукт, водород дороже своих углеводородных аналогов. последний недостаток при росте цен на природное топливо в обозримом будущем может исчезнуть. Однако первые два недостатка можно устранить только решив сложные технические проблемы эффективного получения промышленных количеств водорода, создания надежных систем его хранения, транспортировки и эффективного использования. Применение возобновляемых источников энергии для производства водорода позволяет создать экологически чистую энергетику качественно нового типа. Однако общая мощность этих источников (точнее та доля энергии, которая может быть использована для производства водорода) в ближайшие десятилетия не позволяет рассматривать их как основу его крупномасштабного производства.
Общая характеристика энергии малых рек Украина имеет мощные ресурсы гидроэнергии малых рек - общий гидроэнергетический потенциал малых рек Украины составляет около 12,5 млрд. кВт·ч /год, что составляет около 28% общего гидропотенциала всех рек Украины. Украина располагает одной из лучших школ гидроэнергетиков в мире, значительным техническим и промышленным потенциалом турбомашино-строения и большой опыт строительства гидроэлектростанций, как в Украине, так и за рубежом. В условиях недостатка средств, характерных для современного состояния экономики Украины, преимущества МГЭС очевидны: малые объемы капитальных вложений, сокращенные сроки строительства, эффективное использование научного, проектного и строительного опыта на уровне регионов, использование местной строительной базы и материалов. Малые ГЭС могут работать как изолированно, так и в общей энергосистеме. При этом они являются почти абсолютно чистыми источниками энергии. При использовании гидропотенциала малых рек Украины можно достичь значительной экономии топливно-энергетических ресурсов, причем развитие малой гидроэнергетики будет способствовать децентрализации общей энергетической системы, при этом снимет ряд проблем как в местности, энергоснабжении отдаленных и труднодоступных районов сельской так и при управлении гигантскими энергетическими системами. Заодно будет решаться целый комплекс проблем в экономической, экологической и социальной сферах жизнедеятельности и хозяйствования в сельской местности. При проектировании малых гидроэлектростанций необходимо учитывать и их существенные особенности. Прежде всего, МГЭС на горных реках принципиально отличаются от больших гидроэлектростанций по режиму использования водотоков. Большая часть стока горных рек приходится на весенне-летний период. Если запроектировать МГЭС на гарантированный зимний расход, то это приведет к большому недоиспользованию энергопотенциала реки, если же рассчитывать мощность агрегатов ГЭС на максимальные расходы, то будет неэффективно использовано оборудование. Построить же небольшое регулирующее водохранилище, соответствующее мощности малой ГЭС на горной реке практически невозможно - для этого потребуется большая плотина, чтобы свести до минимума негативное влияние наносов твердых частиц реки во время паводков (рисунок). Поэтому малые ГЭС в горных районах могут работать в режиме естественного стока и выработка электроэнергии у них будет неравномерна в течение года. Это ограничивает их возможности. Имеются принципиальные отличия и в отношении надежности их конструкций. Большие гидроэлектростанции проектируют на 100%-ную надежность, так как их разрушение ведет к необратимым катастрофическим последствиям. Для надежной работы малых ГЭС, в условиях мощных плохо прогнозируемых паводков и селей прочность сооружений не так важна. В критических случаях допускаются определенные разрушения с периодическими восстановлениями. Таким образом, для сооружений МГЭС наиболее важным является не абсолютная надежность, а ремонтопригодность всех элементов конструкций. К малой энергетике относятся агрегаты мощностью от 1,5 до 100 кВт для микро и агрегаты мощностью до 1000 кВт, включительно, для мини гидроэлектростанций. Это объясняется наличием серийно производимого оборудования (генераторы, редукторы и т.д.) для комплектации гидроагрегатов, что во многом определяет их стоимость. Энергетическое оборудование для малой гидроэнергетики можно разделить: По мощности: - агрегаты для микро ГЭС мощностью до 100 кВт включительно; - агрегаты для мини ГЭС мощностью до 1000 кВт включительно. По условиям эксплуатации: - работа параллельно с промышленной сетью; - работа на изолированного потребителя. Найден новый альтернативный способ преобразования энергии низконапорных потоков воды в полезную электрическую и тепловую мощность. Сегодня с водных потоков полезную мощность снимают при помощи гидравлических турбин. Это хорошее, практически до предела усовершенствованное оборудование, с КПД, приближающимся к единице. Но применение даже самых совершенных турбин в области малых напоров экономически нецелесообразно. Без сооружения подпорных плотин или деривации (отводных трубопроводов со значительным уклоном) они не могут снимать с потока воды коммерчески значимую мощность. Кроме того, строительство плотин увеличивает капитальные затраты и приводит к подтоплению прилегающих территорий. В мире предостаточно природных и техногенных низконапорных течений, их суммарный энергетический потенциал очень высок, но до сих пор не осваивается из-за отсутствия эффективного оборудования. Изобретенные инновационные гидроагрегаты, работа которых основана на новом способе преобразования энергии водного потока в полезную мощность, позволяют это делать . Одним из возможных направлений применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для экономии топливно-энергетических ресурсов является использование гидроэнергетического потенциала малых рек. По существующей классификации ООН к малым относятся ГЭС мощностью до 10-15 МВт, в том числе: - малые ГЭС - от 1 до 10 МВт; - мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВт; - микро-ГЭС - мощностью до 0,1 МВт. Конструкции применяемые при создании малых ГЭС гидроагрегатов весьма разнообразны: радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые. Выбор типоразмера агрегата зависит от величин располагаемых напора и расхода воды и требует индивидуального проектирования ГЭС. По напору гидротурбины классифицируются на: - низконапорные (осевые горизонтальные и вертикальные прямоточные установки, капсульные турбины); - средненапорные (радиально-осевые с горизонтальным или вертикальным валом, установки с неподвижным направляющим валом); - высоконапорные (ковшовые турбины). Располагаемый напор может составлять величину от 2 до 500 м. Для получения электричества из энергии воды в нижних течениях рек строятся плотины. Это гигантские по масштабам сооружения гидроэлектростанций (ГЭС). Однако эти сооружения с плотинами оказывают негативное влияние на водный бассейн (река может пересохнуть), на водные биоресурсы. Рост стоимости традиционных энергоносителей - угля, нефти, газа в современном мире является мощным стимулом для развития малой гидроэнергетики, которая является спасительной на территориях, удаленных от центрального электроснабжения. Современный уровень техники позволяет создавать оборудование для микро и малых ГЭС, обеспечивающее качество электрической энергии при работе на изолированного потребителя. Микро- и мини-ГЭС используют в малых и средних промышленных производствах и фермерских хозяйствах, которые удалены от центрального электроснабжения. Качество электроэнергии, вырабатываемой на таких агрегатах, ничуть не отличается от энергии, произведенной тепловыми и крупными ГЭС. Гидроустановки бывают разных видов: - стационарные приплотинные, с совмещением плотины и здания ГЭС; - стационарные безплотинные с трубопроводом напорной деривации; - мобильные в контейнерном исполнении, с использованием в качестве напорной деривации пластиковых труб или гибких армированных рукавов; - переносные мощностью до 10 кВт, при использовании их, как путём сооружения небольшой плотины, так и с напорной деривацией; - погружные безплотинные мощностью до 5 кВт (при скорости течения воды в водотоке порядка 3 м\сек) Использование энергии небольших водотоков с помощью малых гидроэлектростанций (микро-ГЭС) - одно из наиболее эффективных направлений развития альтернативной энергетики. Малая гидроэнергетика является прекрасной альтернативой централизованному энергоснабжению для удаленных и труднодоступных районов и районов с ограниченной передаточной мощностью ЛЭП. Использование мини-ГЭС позволяет зафиксировать стоимость энергоресурсов на приемлемом для потребителя уровне, решает проблему перебоев электроэнергии |