Высотная ветроэнергетическая установка
В последние годы ветроэнергетика – наиболее динамично развивающаяся отрасль энергетики. Имеются обоснованные прогнозы, согласно которым к 2020 г. 12 % энергетических потребностей мира будут покрываться за счет энергии ветра с использованием тех конструктивных решений, которые уже нашли массовое применение в настоящее время. Между тем плотность потока энергии ветра на тех высотах приземного слоя, которые сейчас технологически доступны, остается сравнительно небольшой, достигающей экономически эффективных значений на территориях, расположенных преимущественно в горных странах или в береговых зонах морей. Иная ситуация имеет место на высоте 6 – 8 км от поверхности Земли, где в струйных течениях, располагающихся над средними, наиболее населенными широтами северного полушария Земли, плотность потока энергии ветра в 30 – 50 раз выше, чем в приземном слое. Освоение энергии этих устойчивых воздушных потоков привлекало и привлекает внимание специалистов.
Предлагаемая новая конструкция высотной ветровой электростанции большой мощности, первые варианты которой были опубликованы в 1991 г./6/, свободна от недостатков, присущих известным решениям. Эта конструкция технологична, энергетически эффективна, эстетична. Удельные капитальные вложения в энергетический узел станции вследствие высокой скорости ветра сравнительно малы, значительная часть общих затрат приходится на тросовую систему, связывающую энергетический узел с землей. Величина этой части затрат мало зависит от мощности энергетического узла, поэтому высотная ветровая станция оказывается экономически привлекательной только при достаточно большой мощности – 50 – 100 МВт и более.
В данной главе рассматривается опытная станция мощностью 50 МВт. Кроме основного назначения – производства электроэнергии, данный проект может быть использован также в радио - и телекоммуникационных сферах; в метеорологических исследованиях и наблюдениях; для создания системы лазерной защиты крупных наземных объектов от несанкционированного проникания высоколетящих предметов (самолетов, ракет, метеоритов).
Получение электроэнергии из заоблачных высот кажется фантастическим проектом, однако результаты проведенных ранее исследований и опыт российских предприятий в создании высокоэффективной современной техники и интерес к экологически чистым способам производства электроэнергии, а также реальные выгоды от парящей электростанции требуют внимательного рассмотрения проекта.
Высотная ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) предназначена для эффективного использования энергии ветра струйных течений над регионами, не располагающими высоким ветропотенциалом в приземных слоях. Скорость ветра в струйных течениях обычно составляет от 30 до 70 м/с, их толщина охватывает изобарические поверхности от 650 до 130 мбар (от 3,5 до 14 км), ширина течения может быть несколько сотен километров. Максимальные скорости в центре струи нередко превышают 100 м/с.
Одно из наиболее благоприятных мест для реализации проекта по использованию струйных течений – почти вся территория США и особенно восточное побережье – от Флориды до Новой Англии. В России, Беларуси, Украине такими зонами являются столичные регионы (Московский, Минский, Киевский), отличающиеся высокой плотностью населения, большим числом энергоёмких промышленных предприятий, неуклонно возрастающим потреблением энергии, напряженной экологической обстановкой, ограничивающей рост мощности традиционных источников.). Данные показывают, что на высоте 6 и 8 км над Москвой в осенне-зимний период средняя скорость ветра практически постоянна, достаточно высока, т.е., когда потребность в электроэнергии наибольшая, энергия ветропотока достигает максимального значения – 5 – 6 кВт/м2. В летний период сильные ветры бывают заметно реже, что позволит проводить регламентное обслуживание ветроэлектростанций. Примерно такие же условия имеют место над Новосибирском, Красноярском, Иркутском и над соответствующими широтами в Европе. Над Северной Калифорнией плотность потока энергии в струйном течении на высоте 6 км составляет в среднем 7 – 10 кВт/м2, над Нью-Йорком – до 16 кВт/м2.
На первом этапе реализации проекта опытную высотную ветроустановку в районе Москвы целесообразно расположить на высоте 6 км от поверхности земли с тем, чтобы в последующем поднять ее еще на 2 км (до высоты 8 км). Общие запасы энергии ветра в атмосфере оцениваются в ~4х1012 кВт или 3,5х1016 кВт/ч/год, из них менее 7 % относится к нижнему слою толщиной 100 м преимущественно над водной поверхностью. Энергия «ветровых рек» – струйных течений в 100 раз больше гидроэнергетического потенциала рек всего мира. Половины процента этой энергии достаточно, чтобы обеспечить 8 млрд. будущих жителей Земли по современным нормам благоустроенных стран.
Предлагаемая конструкция ВВЭУ объединяет несколько ортогональных геликоидных роторов в пространственную конструкцию (рис. 8.1), автоматически удерживающую себя в зоне струйных течений. Эта конструкция связана с землей газонаполненным полым тросом, совмещающим функции лифтового шлюзованного канала, токопровода и анкерного устройства.
Рис. 8.1. Схема высотной ветроэнергетической установки (ВВЭУ): 1 –несущая конструкция блока, объединяющая три турбины; 2 – полый, газонаполненный кабель-трос; 3– ротор генератора; 4– решетка лопастей ортогональной турбины
Принцип действия ветроустановок следующий: каждая установка состоит из трех или более блоков ортогональных роторов, объединенных общей строительной кострукцией. На рисунке 8.1 показан вариант ВВЭУ с тремя группами роторов, т.е. вариант минимальной установки, узлы которой лежат на гипотетической эллиптической поверхности. В другом (основном) варианте две турбины, вращающиеся в противоположных направлениях, работают на один линейный генератор, индукторы которого закреплены на ободе одной из турбин, а полосы магнитопровода и короткозамкнутого ротора – на ободе другой турбины. Такая пара турбин образует энергетическую единицу (комплекс). В каждом блоке высотной электростанции располагается три таких комплекса. Каждую турбину предлагается делать с шестью лопастями, образующими жесткую пространственную ферму. Профиль лопастей – несимметричный, оптимизированный. Этот профиль имеет самые лучшие аэродинамические качества. Максимальная толщина профиля – 17 % от длины хорды лопасти. Лопасти образуют пространственную цилиндрическую решетку, способную вращаться в опорных узлах, расположенных на контурной раме. Максимальное затенение ротора 0,45, минимальное затенение (в узлах пересечения лопастей) – 0,225. Установлено, что применение изогнутых лопастей в конструкции роторов, обеспечивающее постоянство крутящего момента на оси агрегата и его конструктивную жесткость, не снижает его аэродинамических качеств по сравнению с ротором, имеющим прямые лопасти такого же профиля и такое же затенение. Расчетная скорость ветра и скорости движения лопастей при заданной установленной мощности выбираются из условия максимума выработки энергии и минимума стоимости ветровой станции. При этом учитывается, что увеличение реального значения скорости ветра выше расчетного вызывает перемещение станции ближе к земле и выводит ее из зоны слишком больших скоростей.
Если принять расчетную скорость ветра, отвечающую номинальной мощности 50 МВт равной 35 м/с, а скорость лопастей при этом 50 м/с, то необходимая площадь лопастей составит Q.b – 6660 м2. Площадь сечений фигур, ометаемых турбинами, должна быть 14 800 м2, а площадь сечения одной турбины – 1644 м2. Габариты всей станции 120 х 120 м2, габариты одного блока – 40 х 120 м2. Естественно принять диаметр турбины – 40 м, ее длина ~ 40 м. Для ветровой станции мощностью 100 МВт параметры турбины можно сохранить такими же, но в каждом блоке следует предусмотреть по три пары турбин с единым контрроторным генератором на каждую пару. При отключении генератора с увеличением скорости ветра скорость вращения турбин будет возрастать и для защиты лопастей от перегрузок предусматривается аэродинамическое торможение с помощью щитков, встроенных в траверсы турбины и раскрывающихся по сигналу от датчика скорости лопастей, которая не должна быть больше 65 м/с. В этом режиме перегрузка от центробежной силы составит 21,6 кг/м2. Максимальная аэродинамическая нагрузка на лопасть, направленная от центра вращения, равна 355 кг/м2, к центру – 381 кг/м2. При массе лопастей >17,6 кг/м2 нагрузки на лопасти не будут знакопеременными.
Лопасти роторов снабжены струйными устройствами управления локальной циркуляцией. Эти устройства должны повышать выработку энергии установкой: при необходимости, в отсутствии ветра, при подъеме и опускании установки они создают подъемную силу, направление и величина которой могут изменяться, позволяя управлять установкой как воздушным судном. Оси роторов (в плане) составляют тупой угол, что обеспечивает автоматический разворот системы по ветру и ее устойчивое равновесие. В случае аварии (например, при обрыве троса или разрушении одного из роторов) установка переворачивается и плавно опускается на землю, сохраняя автоматическую управляемость по радиомаякам.
Дюралевые крылья современных самолетов с вылетом консоли до 24 м имеют массу в расчете на единицу площади крыла от 29 – 35 кг/м2. Пластиковые лопасти ортогональных ветроагрегатов имели массу до 12 кг/м2. Таким образом, масса лопастей предлагаемой ветростанции ожидается в диапазоне от 80 – 230 т. Траверсы, опорные узлы и соединительные конструкции в целом не должны иметь массу >50% от массы лопастей. В целом масса ветровой электростанции мощностью 50 МВт ожидается в пределах 900 т. Соединительный кабель-трос проектируется так, чтобы он имел небольшую избыточную плавучесть, для этого он изготовлен полым с оболочкой из легкого, прочного материала, например, кевлара и наполнением водородом или гелием.
Избыточной подъемной силы, действующей на трос в точке контакта со станцией, должно быть достаточно для того, чтобы маневрировать ветроустановкой в любых ситуациях и при подъеме ее с земли. Векторная сумма этой избыточной подъемной силы и силы сопротивления при фиксированной длине троса определит пространственное положение станции. На практике управление циркуляцией должно осуществляться автоматически с ориентировкой ВВЭУ по радиомаякам на земле и гироскопическими системами на установке. В случае аварийного обрыва троса вращение роторов и плавное опускание систем в заданный район осуществляется за счет энергоаккумуляторов, расположенных на ВВЭУ, и работы генераторов ВВЭУ в режиме двигателей. В таком же режиме, но при использовании электропитания от сети осуществляется и подъем ветроустановки. Кабель-трос состоит из отсеков, наполненных гелием или водородом и соединенных между собой шлюзами. Плотность гелия при нормальном давлении и температуре О °С составляет 0,178 кг/м3. Принимая избыточное давление внутри отсеков 0,5 атм, получим располагаемую подъемную силу кабель-троса: в нижних участках ~1 кг/м3 объема отсеков, а на высоте 6 – 8 км ~0,4 кг/м3. Исходя из этих показателей и учитывая реальные силы, действующие на удерживающую систему со стороны ВВЭУ, рассчитаны размеры кабель-троса. Кабель-трос диаметром 6 м, изготовленный из кевлара, армированного углепластиком, с расчетной прочностью 5250 кг/см2 и плотностью 1,6 г/см3, может иметь подъемную силу 18,7 кг на погонный метр на высоте 6 км. Минимальная конструктивная толщина кевлара, формирующего оболочку кабель-троса, в соответствии с действующими предложениями промышленности принимается 0,25 мм. Этой толщине соответствует площадь сечения кевлара 47,1 см2 и погонная масса 7,54 кг/м. При фиксированной избыточной подъемной силе, действующей со стороны ветроустановки на трос, усилие в тросе определяется его длиной. Общая масса кевлара получается минимальной, если избыточная подъемная сила равна 300 т и длина кабеля-троса – 8,94 км.
На поверхности кабель-троса должны быть уложены шинопроводы для вывода мощности от генераторов. При генераторном напряжении 10 Kвольт и допустимой плотности тока 4 А/мм2 масса 1 пог. м шинопроводов составит ~3,4 кг. Суммарная масса основных элементов кабель-троса (17 кг/м) не превосходит его грузоподъемности. Таким образом, избыточное подъемное усилие не должно быть больше 300 т, а длина кабель-троса получается >8,94 км. Масса кевлара при такой длине тросса составит – 124 т. Масса меди шинопроводов составит ~30 т. Из приведенных оценок следует, что кабель-трос можно делать и без обеспечения плавучести, просто с воздушным наполннием, избыточной подъемной силы роторов достаточно для компенсации веса кабель-троса.
Стоимость кабель-троса для ВВЭУ мощностью 50 МВт, по ценам США, ориентировочно составит 15 млн дол, по ценам России – в два-два с половиной раза меньше. Стоимость поднимаемого оборудования ВВЭУ определяется из расчета 15 дол /кг, что при массе 900 т оценивается в 13,5 млн дол. Удельные капитальные вложения составят для США – 570 дол/кВт, для России – 370 дол/кВт.
Если увеличить мощность ВВЭУ до 100 МВт, то за счет применения более эффективного контрроторного генератора масса электростанции увеличится до 1300 т и удельные затраты на единицу мощности снижаются до 13 кг/кВт. Ожидается, что в серийном исполнении установки указанной мощности в России будут иметь удельные капитальные вложения не выше 300 дол/кВт. Первый опытный образец мощностью 50 МВт обойдется в ~60 млн долл. (по 1,2 тыс. дол/кВт), включая необходимые обширные метеорологические наблюдения, проектные и научно-исследовательские работы, изготовление приспособлений для производства оборудования и затраты на проведение строительно-монтажных и пуско-наладочных работ. Учитывая хорошие экономические и экологические перспективы предлагаемого источника электроэнергии, названную стоимость первого образца не следует считать чрезмерной.
Осуществить полный комплекс работ с одновременной подготовкой серийного производства последующих машин можно было бы за 2,5 – 3 года. В дальнейшем высотные ветроустановки могут быть созданы мощностью 100 – 150 МВт и стоимостью по 30 – 45 млн дол. с годовой выработкой 500 – 700 ГВт *ч, что обеспечит себестоимость энергии в пределах 0,3 – 0,5 цента/кВт*ч. Главное достоинство этого возобновляемого источника то, что он будет находиться там, где есть потребность в энергии.
Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 1844;