РЕФЕРАТ в
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РЕФЕРАТ Силовые преобразователи в возобновляемой энергетике Выполнил: студент гр. 938Т1 Потявин Д. А. Проверил: Плотников И.А Томск 2010 Содержание Введение 3 Солнечная энергетика 4 Схемы работы солнечной электростанции Гидроэнергетика 7 12 Энергия приливов 12 Энергия волн 14 Ветряные электростанции 17 Принцип работы ветроустановок 18 Схемы работы ветрогенератора 19 Ветряные турбины будущего 26 Заключение 29 Список литературы 30 2 Введение Нефть дорожает, и перспектива ее как источника энергии в будущем весьма неопределенна. Новые методы добычи энергии – от волновых электростанций, способных отнимать энергию у морских волн, до бактерий, выделяющих электричество из сточных вод, – могут вдохнуть новые силы в наш старый мир. Представьте себе, что вы месяцами катаетесь на машине, не доливая в бак бензина, обеспечиваете дом энергией океанских волн или подключаете ваш ноутбук к розетке прямо на пиджаке. Впрочем, глядя на ценник на бензоколонке (23 рубля за литр 92-го), можно подумать, что эта энергетическая утопия – совсем уж далекая сказка. С другой стороны, нынешняя мрачная ситуация в энергетике имеет и утешительную сторону. Растущие цены, общая тревога и озабоченность, новая политика правительства – все это, подталкивает нас к новым усилиям, направленным на обновление всей энергосистемы. Для полномасштабного внедрения некоторых из этих идей потребуются годы и годы. Другие прямо сейчас можно брать на вооружение. Доживем ли мы когда-нибудь до эпохи с бездонными источниками энергии? Строго говоря, вряд ли. Запасы нефти на Земле безусловно ограниченны. Даже водород, которым питается ядерная реакция на Солнце, и тот – увы! – когда-нибудь закончится. Если не брать в расчет шансов на неожиданный прорыв в технологиях ядерного синтеза, никакой другой источник не обещает в мановение ока решить все наши проблемы. Скорее, энергетические запросы человечества будут удовлетворяться путем объединения различных передовых технологий. В этом союзе сыграют свою роль энергия солнца, ветра, морских волн и другие альтернативные источники. Промышленность как потребитель тоже сделает шаг навстречу – современная технология успешно учится делать больше, потребляя меньше. В России альтернативные источники пока не столь популярны, как во многих других странах, но ископаемое топливо может быть скоро исчерпано, так что технологии будущего в полный голос заявляют о себе уже в наши дни. В своём реферате я попытаюсь наиболее полно описать существующие на сегодняшний день способы получения электроэнергии в возобновляемой энергетике, а также расскажу о проектах, которые возможно в ближайшем будущем будут воплощены в жизнь. Так же мной будет рассмотрено несколько вариантов схем применяемых в возобновляемой энергетике сегодня. 3 Солнечная энергетика Гелиоэнергетика (от греческого Helios — солнце), или солнечная энергетика – сегодня один из наиболее реальных видов альтернативной энергетики, применяемый на практике. Общее количество солнечной энергии, доходящей до поверхности Земли за 7 дней, намного превосходит энергию всех запасов нефти, газа, угля и урана на планете. Солнечные батареи, или фотоэлектрический преобразователь (сокращённо ФЭП) используются для преобразования солнечного излучения в электроэнергию. В безоблачный день на поверхность Земли поступает около 100 Ватт солнечной световой энергии на 1 м2. В зависимости от свойств того или иного участка солнечная энергия поступает неравномерно из-за облаков в пасмурный день. В некоторых местах на планете солнце ясных дней насчитывается до 320-350 в году, а где-то солнце не появляется по полгода или не светит вообще. Поэтому перед тем, как устанавливать солнечные батареи для производства электричества, стоит оценить, насколько результативным будет их применение в зависимости от заданных условий. Как правило, солнечные батареи используются тогда, когда степень освещённости высока, или нельзя провести электрические кабели от имеющихся электростанций. Самый продуктивный вид солнечных батарей производят из монокристаллического кремния. КПД такого прибора достигает 24%. Обычные солнечные батареи имеют КПД около 18%. Работают солнечные батареи более 25 лет, что доказано их применением на практике. Применение солнечных модулей для отопления пока возможно лишь в комбинации с основным отопительным прибором или в качестве источника питания для автоматической системы управления. В США солнечная энергия применяется на 1,5 миллионах объектов. В итоге это экономия примерно 1 400 МВт, или 5 миллионов тонн нефти, неизрасходованной за год. Открытая в Турнов-Прайлак, Германия, солнечная электростанция Либерозе стала второй по размерам в мире и крупнейшей в Германии. На площади размером более 210 футбольных полей размещены 560,000 солнечных панелей суммарной мощностью 53 МВт. Несмотря на финансовый кризис, в этот проект было инвестировано более €160 млн. 4 Ранее на месте электростанции располагался крупнейший полигон Группы советских войск в Германии, территория которго многие годы никак не использовалась из-за сильнейшего экологического загрязнения. Исследователи Калифорнийского Технологического института продемонстрировали новый материал для солнечных элементов, состоящий на 98% из синтетических волокон. При испытаниях экспериментальных эластичных ячеек солнечных батарей оказалось, что они способны использовать более 90% квантовой энергии света. Ожидается, что в перспективе удельная себестоимость получения электроэнергии с помощью синтетических элементов будет примерно в 50 раз ниже, в сравнении с использованием кремниевых. Директор Калифорнийского института Resnick Гарри Этвотер (Harry Atwater) сказал: «Развитием техники абсорбции света на относительно разреженных поверхностях из таких волокон мы не только достигли необходимого поглощения света, но и продемонстрировали эффективную оптическую концентрацию световой энергии». Кремниевые волокна, вкрапленные в прозрачный полимер, имеют диаметр всего 1 мкм при длине 100 мкм. Свет преобразуется в электроэнергию именно в таком кремниевом волокне, при этом часть его отражается в полимерную матрицу, которая обеспечивает поглощение отраженного света другим кремневым волокном. В результате достигается как высокая концентрация энергии, так и высокая эффективность этого материала. Толщина нового материала около 100 микрон такая же, как и у обычных солнечных элементов, но кремний в нем занимает только 2 микрона. На электростанции Solar One в штате Невада длинные зеркала в параболических желобах фокусируют падающий свет на тонкую трубку, тянущуюся параллельно желобу. В трубке циркулирует жидкостьтеплоноситель. Затем ее нагревают до 400°С и подают в теплообменник (1), где принимающая тепло вода доводится до кипения, а пар крутит турбину (2). На таких электростанциях нового поколения неизрасходованную тепловую энергию накапливают в термосах с расплавленной солью (3). Это тепло пригодится для работы в ночную смену или в случае облачной погоды. 5 Каждая такая тарелка, то есть каждая установка SunCatcher компании Stirling Energy, может вырабатывать 60 000 кВтч электроэнергии в год. Этого хватит для энергообеспечения дюжины частных домов. В большинстве солнечных электростанций огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в действие большую центральную турбину. В установках компании Stirling Energy каждая 13-метровая тарелка питает энергией свою машину Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает свои 25 кВт электричества. Таким образом, подобная установка может работать как автономно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе подобных Машина Стирлинга – это система замкнутого цикла. В ней под воздействием солнечного тепла расширяется газообразный водород, он толкает поршень, от которого крутится кривошип, приводящий в движение электрогенератор. Затем водород охлаждается и конденсируется в радиаторе, после чего возвращается в рабочий цилиндр. Солнечная башня в Севилье PS10 – это первая коммерческая солнечная электростанция в Европе, построенная вблизи Севильи, в Испании. 115 метровая башня, окруженная 624 зеркалами, производит электроэнергию, достаточную для снабжения 60000 домов. Мощность станции 11 МВт. Площадь поверхности каждого зеркала – 120 м2. Зеркала собирают солнечные лучи на верху башни, на высоте 115 м. Там, на уровне 35 этажа, установлены солнечный коллектор, парогенератор и турбина. Пока стоимость электроэнергии, вырабатываемой на этой станции, в три раза выше энергии из традиционных источников, но по мере совершенствования технологии, цены могут упасть, как это уже произошло с ветроэнергетикой. Свет вокруг башни настолько ярок, что в нем сверкают водяные пары и пыль, взвешенные в воздухе. Находиться вблизи башни без солнечных очков невозможно. 6 Схемы работы солнечной электростанции Приведу несколько популярных схем работы солнечных электростанций с потребителем. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед нами задачу. И так вот примеры некоторых схем: При автономном обеспечении объекта (с аккумуляторами) (Рис.4) объект питается только от солнечных батарей. Если солнечная батарея (с аккумуляторами) имеет резервный дизель- (бензо) генератор то в случае отсутствия солнца и разряде аккумуляторных батарей происходит автоматический запуск резервного генератора с подзарядкой аккумуляторной станции. Топология, где несколько секций фотогальванических панелей (PV) индивидуально обслуживаются инверторами, выходы которых параллельно соединены с энергетической системой, изображена на рисунке 6. Модульные инверторы обслуживают несколько секций фотогальванических панелей В такой конфигурации средняя номинальная мощность обычно достигает уровня 10 кВт. Также возможны следующие вариации: 7 Каждая панель обслуживается небольшим интегрированным инвертором, обеспечивая сотни Вт мощности; • Один инвертор обслуживает параллельно все секции фотогальванических панелей, обеспечивая несколько КВт мощности; • Отдельные DC/DC-преобразователи используются в каждой секции фотогальванических элементов, выходы DC/DC-преобразователей подключаются параллельно к одному DC/AC-инвертору. Эта топология является самой эффективной, номинальная мощность достигает 100кВт. Основная функция инвертора заключается в преобразовании постоянных токов от фотогальванических панелей или батареи с различным уровнем напряжений в переменный ток с определенным уровнем напряжения и частотой для питания устройств или передачи в энергетическую систему. Частота и напряжение зависит от региона, в Европе это 50 Гц и 220 В, в США - 60 Гц и 110 В. В зависимости от приложения возникают требования к фазе, таким образом, инверторы бывают одно-, двух- и трехфазные. DC/DC-преобразователь повышает или понижает уровень входного напряжения, подстраивает свой выход для получения максимальной эффективности на этапе DC/AC-преобразования; • Конденсатор выполняет функцию буферизации напряжения; • MOSFETы в составе моста переключаются с частотой около 20 кГц для преобразования постоянного тока в переменный; • Индуктивности «сглаживают» сигнал после ключей для получения синусоиды. В некоторых случаях уровень напряжения на входе DC/ACпреобразователя должен быть выше, чем на выходе DC/DC-преобразователя. Для этого используется трансформатор после индуктивностей. Несмотря на то, что трансформатор увеличивает вес, габариты и стоимость устройства, а также уменьшает КПД в среднем на 2%, он увеличивает защиту устройства и безопасность пользователя, осуществляя гальваническую развязку между DC- и AC-частями схемы. Эту же функцию может выполнять DC/DC-преобразователь с нулевым напряжением переключения (эквивалент трансформатора). • 8 Схема бестрансформаторного DC/AC-преобразователя Эффективность DC/ACпреобразования, а также зарядки батареи зависит от входного напряжения. Но значение напряжения на выходе фотогальванических панелей постоянно изменяется вследствие таких факторов, как погодные условия, время дня и температура панелей. Состояние батареи также меняется в зависимости от того, заряжена она или разряжена. При благоприятных внешних условиях, понижая напряжение одновременно с повышением тока на входе батареи, можно ускорить процесс зарядки. Но иногда бывают ситуации, в которых приходится жертвовать уровнем тока для повышения уровня напряжения, чтобы процесс зарядки был вообще возможен. Технология отслеживания точки максимальной мощности (англ. MPPT) применяется для отслеживания таких уровней напряжения и тока на входе батареи, при которых эффективность зарядки максимальна. Использование этой технологии увеличивает общую производительность системы более чем на 30% в зимнее время, когда дополнительная энергия особенно необходима. Определение точки максимальной мощности при различных условиях Наиболее общий алгоритм определения точки максимальной мощности выполняется микроконтроллером через изменение рабочего напряжения панели и оценку полученного при этом результата. Алгоритм должен предусматривать поиск точки максимальной мощности в широком диапазоне напряжений для того, чтобы избежать попадания на локальные максимумы, возникшие в результате кратковременных изменений внешней среды, например, попадание панели в тень небольшого облака. Недостаток этого алгоритма - в том, что устройство не работает постоянно с максимальной производительностью, а находится в поиске такого состояния. Альтернативой является инкрементный индукционный алгоритм, при котором вычисляется производная кривой зависимости мощности от напряжения и находятся нули полученной зависимости, которые по определению представляют собой пики кривой мощности. Затем производится настройка напряжения на определенный уровень. Несмотря на то, что в этом 9 алгоритме нет недостатков предыдущего, все же есть риск настроиться по ошибке на локальный максимум вместо точки максимальной мощности. Наилучшие результаты получаются при комбинировании обоих алгоритмов, когда поддерживается работа устройства с уровнем напряжения, определенным по нулям производной, одновременно проверяются другие пики в широком диапазоне напряжений. Ясно, что для реализации комбинированного алгоритма требуется много вычислительных ресурсов микроконтроллера. Теперь становится понятно, что инвертор является важнейшим компонентом в системах преобразования солнечной энергии и что он должен быть гибким для работы в различных приложениях и адаптируемым для реагирования на изменения условий работы приложения. Необходимо, чтобы управляющий процессор в составе инвертора обладал высокой производительностью в реальном времени для эффективного выполнения алгоритмов DC/DC-преобразования, защиты схемы, определения точки максимальной мощности и зарядки батареи. Микроконтроллеры TMS320 с высокопроизводительным ядром цифрового сигнального процессора и богатым набором периферийных устройств великолепно подходят для задач управления DC/AC-преобразованием в реальном времени, вычисления точки максимальной точности и обеспечения функций защиты инвертеров в системах преобразования солнечной энергии. DSP-ядро очень быстро выполняет математические вычисления для реализации алгоритмов управления в реальном времени. Встроенные периферийные устройства, такие как аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ) дают возможность напрямую отслеживать состояние и управлять MOSFETами. Коммуникационные порты микроконтроллера упрощают разработку устройств, работающих в сети с измерителями и другими инверторами. Микроконтроллеры семейства TMS320F28x представляет собой 32-битные устройства, работающие на частотах до 150 МГц с производительностью до 150 MIPS. На рисунке 5 в качестве примера изображена архитектура микроконтроллера F2808. При использовании в инверторе такой микроконтроллер может управлять сразу несколькими преобразователями, а также выполнять функции отслеживания точки максимальной мощности, мониторинга зарядки батареи, защиты от скачков напряжения, регистрации данных и коммуникации с внешними устройствами. Микроконтроллеры TMS320F28x имеют до 16 каналов быстрого 12битного АЦП. Эти каналы АЦП используются для оценки уровня напряжения и 10 тока при построении правильной синусоидальной формы сигнала. Также, оценивая уровень тока, АЦП выполняет функции безопасности. Двенадцать индивидуально управляемых каналов ШИМ (EPWM) вырабатывают импульсные сигналы с заданной длительностью импульса, необходимые для высокоскоростного переключения ключей конвертора и схемы зарядки батареи. Каждый канал ШИМ имеет свой собственный таймер и регистр фазы, позволяющий вводить фазовую задержку. Все каналы ШИМ могут быть синхронизированы для управления несколькими каскадами на одной частоте. Благодаря наличию множества таймеров появляется возможность генерировать множество частот, быстрая обработка прерываний - это ключ к быстрой реакции на события. Коммуникационные порты различных стандартов, включая CAN, обеспечивают интерфейс с другими компонентами системы. Для приложений преобразования мощности в системах альтернативных источников питания компания Texas Instruments предлагает отладочный комплект TMDSENRGYKIT на базе микроконтроллеров TMS320F28xx. Отладочный набор состоит из материнской платы, к которой подключается любая плата типа controlCARD. С помощью этого набора можно реализовывать все основные функции систем преобразования солнечной энергии. К числу этих функций относятся DC/DCпреобразование, трех- или однофазное инвертирование, синхронизация выхода инвертера с силовой линией переменного тока, понижающее DC/DCпреобразование для зарядки батареи. На плате реализована аппаратная часть, необходимая для измерения напряжения и тока, таким образом, пользователь может создавать и тестировать новые топологии, методы и т.д. 11 Гидроэнергетика Во второй главе своего реферата, посвященной гидроэнергетике я не буду писать про устройство всем известных ГЭС, я хочу написать про то, как используют энергию океана, то есть энергию приливов и волн. Энергия приливов Столетиями люди думали и размышляли над природой морских приливов и отливов. Сегодня мы точно знаем, что это грандиозное явление природы – ритмичное движение морских вод провоцируют силы притяжения Солнца и Луны. Так как наше Солнце расположено от Земли в 400 раз дальше, то гораздо более скромная масса Луны оказывает действие на земные воды вдвое большее, чем масса Солнца. На морских просторах приливы сменяются отливами теоретически через 6 часов 12 минут 30 секунд. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой линии (сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает более сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). А когда Солнце находится под прямым углом к отрезку прямой Земля-Луна (квадратура), имеет место слабый прилив (квадратурный, или малая вода). (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров. В зависимости от расположения оси вращения различают вертикальные и горизонтальные гидрогенераторы; по частоте вращения - тихоходные (до 100 об/мин) и быстроходные (свыше 100 об/мин). Мощность гидрогенераторов от нескольких десятков до нескольких сотен МВт. Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для Приливная электростанция 12 последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция. Единственная в нашей стране приливная электростанция находится на Баренцевом море в заливе Кислая Губа. Она была построена в 1968 году и в настоящее время служит экспериментальной базой для отработки новых технологий для приливных электростанций. Ее мощность относительно невелика — всего 1,7 МВт. Существуют ПЭС и за рубежом — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. 11 августа 2010 года корпорация Atlantis Resources, специализирующаяся на преобразовании энергии отливов и приливов в электричество, представила миру крупнейшую приливную турбину AK1000 в городе Инвергордон, Шотландия. Новая турбина высотой 22,5 метра весит около 130 тонн и представляет собой 18-ти метровый ротор, поддерживаемый мощным основанием. Планируемая мощность одной такой установки 1 МВт при скорости морского течения 2,65 м/с – достаточное количество энергии для питания около 1000 домов. Уникальный генератор построен с применением новейших технологий и разработан с большим запасом прочности, что позволит ему работать в самых сложных погодных условиях океана в любом уголке мира. Энергию, производимую новой приливной электростанцией, Atlatis планирует использовать для питания компьютерного дата-центра на севере Шотландии. Этот компьютерный центр будет обслуживать потребности в обработке данных нескольких местных компаний, и не будет использовать электроэнергию национальной электросети. Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов. 13 Энергия волн С точки зрения энергетики морские волны представляют собой концентрированную форму ветровой энергии. Ветры, дующие над океаном, разводят волнение, сила которого зависит от скорости ветра и длины пробега. До берегов Чукотки доходяг волны, зародившиеся у берегов Антарктиды. С глубиной диаметры орбит быстро убывают. Накатываясь на мелководье, волна растет по высоте и уменьшается по длине (расстоянию между гребнями). У дна частицы движутся возвратно-поступательно. Волны в море имеют разную длину и скорость, высоты отдельных волн при наложении суммируются. Механическая энергия волны пропорциональна длине и квадрату высоты. Энергия волны шестиметровой высоты превышает 100 кВт на 1 погонный метр фронта волны. Средняя для океанских волн энергия оценивается в 50 кВт/м. Специалисты подсчитали, что с учетом неизбежных потерь использование волновой энергии у побережья Англии дало бы 120 ГВт -это больше, чем суммарная мощность электростанций страны. Суммарная волновая мощность Мирового океана оценивается в 2700 ГВт. В России возможно освоение энергии морских волн на побережье тихоокеанских морей и Баренцева моря. Ряд проектов, активно разрабатываемых в Англии, предусматривает установку на якоре двух или трех понтонов, имеющих шарнирное сочленение. Проходящая волна вызывает изгибы в шарнирах, которые используются в поршневой гидравлической системе, запасающей энергию в сжатой до высокого давления жидкости. Эта энергия затем используется в гидродвигателе и электрогенераторе. Основные трудности при внедрении подобных систем связаны с низкой надежностью якорных постановок и шарнирных соединений при штормах и подвижках льда. Еще один тип волновых энергетических установок, реализованный при небольших мощностях в Японии (Рис.11), работает следующим образом. Заякоренный буй имеет полость, открытую снизу. При колебаниях на волне уровень воды в полости меняется. В надводной верхней части буя имеется отверстие, через которое воздух выходит из полости при ее заполнении водой, когда проходит гребень волны. Когда проходит подошва волны, воздух, наоборот, входит в полость из-за опускания уровня воды. Течения воздуха через отверстие приводят в движение воздушную турбину, соединенную с электрогенератором. В автономных электрических буях вырабатываемая энергия используется для зарядки аккумуляторов, питающих 60-ваттную электролампу. Реализуется подобный проект, в котором «поплавком» является судно водоизмещением 500 т, 14 проектная мощность волновой энергоустановки составляет 2,2 МВт. Подобная установка может использоваться также для аккумулирования энергии, вырабатывая сжатый воздух, который по трубам направляется в береговые баки. Линейный генератор на постоянных магнитах представляет собой цепочку постоянных магнитов на 4-метровом стержне. Эта конструкция привязана к якорю, лежащему на глубине около 30 метров. Охватывающая стержень медная катушка заключена в «поплавок», то есть в стеклопластиковый буй, который вместе с волнами гуляет вверх и вниз. Катушка при движении пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает электрический ток. Основанный на этом принципе 100-киловаттный генератор был разработан Анеттой фон Жоанн и Аланом Уоллесом, профессорами электротехнической школы в университете штата Орегон. В отличие от прежних конструкций, в которых использовался принцип гидравлических или пневматических насосов, данный принцип обещает КПД вплоть до 90 процентов. По словам фон Жоанн, энергия волн имеет существенные преимущества перед другими видами возобновляемых источников, к примеру, перед ветром. Поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии в них в 50 раз выше, чем в ветре. Переменное напряжение от сети буев можно подать на единый коммутационный блок, преобразовать в постоянный ток, повысив напряжение до 15 12 000 вольт, и отправить на берег, где вспомогательная подстанция снова преобразует его в переменный ток. Прототип имеет 5 метров в диаметре, но тот же принцип можно использовать и в более скромных масштабах. К примеру, если такой агрегат встроить в судовую якорную систему, на стоянках он мог бы питать энергией бортовую электронику. Заманчивой кажется и идея использования энергии морского прибоя, особенно сильного в Северной Атлантике. Некоторая часть этой огромной энергии должна вскоре начать использоваться у берегов Норвегии. Прибойная электростанция, по замыслу норвежских инженеров,— это устойчивое бетонное сооружение с открытой в сторону моря камерой, в которую попадают волны прибоя. Под водой у камеры имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную бетонную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина. Накатывающаяся вода заполняет камеру, уровень воды в шахте повышается, а когда вода спадает —понижается. Поверхность воды в шахте становится своеобразным поршнем, который движется и прогоняет воздух через турбину. Хотя поток воздуха все время меняет направление, конструкция турбины такова, что направление ее вращения от направления потока воздуха не зависит. Как обычно, турбина вращает электрогенератор. Задача решена — механическая энергия прибоя превратилась в удобную для использования электрическую. Мощность экспериментального блока — 400 киловатт. Если его эксплуатация окажется успешной, ничего не препятствует постройке целой цепи таких блоков, которые смогут производить большие количества энергии. Все подобного рода экспериментальные установки пока еще очень несовершенны. Неясно, можно ли вообще создать мощную волновую электростанцию? Как она будет себя вести при шторме? Может быть, генераторы не выдержат сильных волн? Абсолютно неясно, существуют ли материалы, способные долгое время выдерживать воздействие морской воды, не подвергаясь коррозии,— ведь необходимость в частой замене проржавевших узлов может оказаться экономически невыгодной. В общем, вопросов пока больше, чем ответов. Остается лишь надеяться, что усилия ученых принесут плоды и огромная энергия морских волн перестанет расходоваться впустую, не внося своего вклада в мировой энергетический баланс. 16 Ветряные электростанции Располагая богатейшими ветроэнергетическими ресурсами и их весьма выгодным распределением по территории страны, Россия может и должна использовать свой шанс для оптимизации производства энергии, активно используя возобновляемые источники. Суммарный технический ветропотенциал России оценивается примерно в 14 000 ТВт час/год, что превосходит более чем в 15 раз реальную выработку всех электростанций страны. По различным прогнозам, на территории Российской Федерации к 2020 году может быть введено от 4,5 до 7,5 ГВт. Так, Проект государственной программы энергосбережения и повышения эффективности на период до 2020 года предполагает ввод 4 750 МВт установленных мощностей. По оценкам ученых, спрос на ВЭС в Российской Федерации составляет 8 000 МВт. При этом потенциальный спрос на так называемые сетевые ВЭУ мощностью от 100 кВт до 10 МВт может быть оценен примерно в 4,5 ГВт, а спрос на аналогичные ВЭУ для автономного использования может составить порядка 2,5 ГВт. История развития ВИЭ в России совсем короткая – ей меньше трех лет, если считать, что первые шаги в направлении развития системы стимулирования использования ВИЭ были сделаны 4 ноября 2007 года с внесением поправок в Федеральный закон № 35 «Об электроэнергетике». Серьезным препятствием для широкого использования возобновляемых источников энергии являются высокие капитальные затраты и высокая себестоимость производства электроэнергии на основе ВИЭ по сравнению с традиционной электроэнергетикой. По этой причине до недавнего времени проекты в возобновляемой энергетике были убыточны и составляли менее 1% установленной мощности российской электроэнергетики. Развитие ВИЭ – одно из прогрессивных направлений в энергетике, которое приобретает особое значение в условиях стоящих в России задач модернизации экономики, повышения энергоэффективности и развития энергосберегающих технологий. Свои высокотехнологические особенности имеют, разумеется, и генератор, и система электрических тормозов, и конструкция обтекателя гондолы. Так может ли подобная наукоемкая продукция производиться в России? 17 Принцип работы ветроустановок Все ветроэлектростанции работают по одному принципу: преобразуют линейную скорость ветра в угловую скорость вращения оси ветрогенератора. Генератор ветроэлектростанции преобразует вращательное движение в электроэнергию. Для промышленной ветроэлектростанции все аналогично, только присутствуют системы слежения за направлением и скоростью ветра, которая направляет лопасти в сторону ветра и прекращает их работу в случае превышения допустимых скоростей, системы слежения за состоянием ветрогенератора и системы защиты от молний. Направленный поток воздуха вращает лопасти ротора. Эффективность ветроэлектростанций все время увеличивается с появлением новых материалов и систем трёхмерного проектирования. Затем ротор передает вращение на генератор, который подает выработанное электричество через контроллер на аккумуляторы. Ветроэнергетическая установка на выходе электронного регулятора имеет 24, 48 или 96 вольт постоянного тока. Такое напряжение можно использовать для обогрева зданий, питания водных насосов, освещения и т.д. Тем не менее, в основном ВЭУ используется обычными потребителями, пользующимися напряжением 220 вольт переменного тока с частотой 50 Гц. Для этого к выходу электронного регулятора необходимо подключить соответствующее устройство преобразования - инвертор. Инвентор преобразует электричество в переменный, который потребляет большинство электроприборов. Все! Простота метода и его экологичность позволяет делать ветроэлектростанции все более популярными. ВЭУ может включать в себя следующие устройства: Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот. Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей. Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей. 18 Анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности. АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания! Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов. Инверторы бывают четырёх типов: Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств и т.п. Чистая синусоида - преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др. Трехфазный – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования. Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже, чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые. Принципиальная электрическая схема взаимодействия ВЭУ и различных устройств может совершенствоваться бесконечно. Схемы работы ветрогенератора Приведу несколько популярных схем работы ветрогенераторных систем с потребителем. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед задачу. Базовая схема включает в себя ВЭУ, инвертор, батареи, дизель-генератор(Рис.12). Схема может использовать двойное преобразование от дизель-генератора и сети (переменный – постоянный – переменный ток) для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае потребитель не чувствует даже малейших перепадов в питании при переключении с одного источника питания на другой (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т.д.). 19 Рис. 12 - Схема ВЭУ с резервным дизель - генератором и аккумуляторами САП - Система автоматического пуска бензогенератора БП - Блок питания или преобразователь напряжения Для обеспечения максимальной защиты от перебоев в питании ветрогенератор можно использовать совместно с дизельным, бензиновым или газовым генератором. В такой схеме ветрогенератор является основным источником питания, а дизельный генератор – вспомогательным. В обычном режиме ветрогенератор заряжает аккумуляторы, от которых питается нагрузка. Если во время активного потребления электроэнергии наступает длительный штиль и аккумулированной энергии оказывается недостаточно, то включается резервный генератор. Подчеркнем, что резервный генератор работает, как и ветровой, на заряд аккумуляторов, чтобы всегда 20 находиться в режиме максимальной мощности, при котором обеспечивается лучший КПД. За счет этого достигается значительная экономия топлива. После того, как аккумуляторы заряжены или появляется ветер, резервный генератор отключается. Таким образом, при сочетании ветрового и дизельного генераторов или сети потребитель получает максимальную надежность при минимальных затратах на топливо. Другая схема (Рис.13) может использовать прямое (by-pass) питание для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае при переключении источников питания (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т.д.) чувствуется незначительное падение напряжение. Аналогично работает бесперебойный блок питания для компьютера. Рис.13 – Схема ВЭУ с прямым питанием или аналогичный вариант: Рис.14 – Схема ВЭУ 21 Комбинированная система (Рис.15) наиболее эффективна Электричество из аккумуляторной станции поступает в инвертор, где постоянный ток преобразуется в переменный (220В/50 Гц). Происходит взаимная «подстраховка» альтернативных источников электропитания: - ветер может дуть как днем, так и ночью, но вероятна штилевая погода - ночью нет солнечного света, но день настает неизбежно. Использование теплового генератора сводится к минимуму. Генератор включается на короткое время (3 - 8 часов) для подзарядки аккумуляторной станции лишь в том случае, когда потребление электроэнергии превышает выработку (длительная штилевая погода, пасмурность). Ветрогенератор, как и солнечные модули дают малые токи, которые продлевают "жизнь" аккумуляторам минимум до 10 лет (на практике 12-14 лет службы). Даже при наличии сети общего пользования потребитель может сталкиваться со множеством проблем начиная от перебоев или недостатка мощности и заканчивая высокой ценой за энергию. Поэтому вопрос об установлении ветрогенератора, работающего в параллель с сетью, может оказаться актуальным. Такая схема реализуется без использования аккумуляторов, а возможности инвертора должны быть дополнены функцией синхронизации. Если вырабатываемая ветровым генератором энергия покрывает потребление, то излишки отдаются в сеть. Если же наоборот мощности ветряка недостаточно, то требуемая порция электричества берется из сети. 22 Синхронный генератор, управляемый турбиной через коробку передач, используется исключительно для питания автономных сети. В таких сетях ветряной двигатель может быть единственным источником питания или чаще может поддерживаться системой хранения, например, батарея плюс преобразователь, или другой источник, такой как дизельный управляемый генератор. В настоящее время существует относительно немного примеров этой схемы, они ограничены небольшими островами или отдаленными потребителями. Если ветряной генератор является основным источником энергии, он также должен отвечать за системную частоту и напряжение. Для сети фиксированной частоты, ветровая турбина должна быть управляемой, чтобы работать на фиксированной скорости, несмотря на изменения в скорости ветра и в требовании системном. Это может быть достигнуто путем регулирование частоты ветряных турбины переключением нагрузки или комбинация переменного управления ветряной турбины и управляемой нагрузки и/или система хранения, такая как батареи с двунаправленным преобразователем. Такие автономные системы в настоящее время необычны и не будут упомянуты далее. Фиксирование скорости ветровой турбины Рис. 16 показывает классическую схему: турбина – коробка передач – асинхронный генератор – объединенная энергосистема, широко используемую в 80-ых годах. Она проста, надежна и очень хорошо зарекомендовала себя на практике. Многие из ветряных турбин, установленных в течение 1980-ых и 1990ых, имели эту схему и все еще работают. В этой схеме генератор имеет короткозамкнутый ротор и, в связи с неизбежным скольжением, скорость изменяется незначительно от силы ветра, таким образом, скорость не является строго постоянной. Скольжения обеспечивает определенную степень сглаживания электроэнергии во время порывистого ветра, что имеет преимущество для снижения нагрузок в механической трансмиссии. Генератор должен быть непосредственно подключен к сети (без контроля скорости), устройства плавного пуска, как правило, требуется в целях ограничения токов и крутящего момента во время пуска. Устройство плавного пуска не является преобразователем как таковым, а просто ограничивает скачок тока, необходимого асинхронному генератору в целях создания вращающегося магнитного поля при первом подключении к сети. 23 Рис. 17 показывает питание – электронное устройство плавного пуска, состоящее из трех пар антипараллельных тиристоров. Сначала, тиристоры включаются в самом конце цикла для того, чтобы были небольшие токи. Постепенно, включение происходит чуть раньше, до тех пор, пока тиристоры не будет работать непрерывно, в это время коробка передач переключает генератор с низких на высокие обороты и он начинает работать на скорости ω1. Несколько датских производителей широко использовали эту схему в 1980-ых и 1990-ых. Изменение скольжения ветряной турбины Короткозамкнутый ротор, используется в ветряных турбинах фиксированной скорости, описанных выше, является очень экономичным, устойчивым и надежным. У них есть маленькое сопротивление, которое в значительной степени определяет вращающий момент – скоростную характеристику и, следовательно, величину скольжения. Чем больше беличье колесо у асинхронных машин, тем ниже сопротивление ротора и поэтому меньше скольжение. Это уменьшает 24 соответствие между механическими и электрическими системами, которое не желательно в ветряных турбинах. Номинальный крутящий момент может быть развит на различных скоростях за счет увеличивая сопротивление ротора от Rr до RR′ а затем Rr''. Это может быть легко достигнуто путем введения внешних переменных резисторов через контактные кольца ротора асинхронного двигателя. Управление скоростью осуществляемое таким образом, даёт недопустимое сокращение эффективности. Этот режим управления мог быть исключён как бесполезный в ветряных двигателях, тем не менее, производитель использовал его разумно и успешно для повышения производительности. В ветряной турбине сопротивлением можно управлять динамически, чтобы учесть порывы ветра. Во время порыва сопротивление увеличивается, что даёт небольшое (отрицательное) скольжение; скорость вращения немного увеличивается и энергия поглощается инерцией. После порыва, сопротивление уменьшается, что переводит скорость назад в нерабочее состояние и энергия подаётся в сеть в течение более длительного периода времени. Такая схема изображена на рис. 18. Если бы эта схема применялась между падениями и номинальной скоростью, энергия была бы необратимо рассеяна во внешних резисторах. Однако, если эта схема применяется в период, когда средняя скорость ветра выше номинальной т. е. когда энергия ветра может быть потеряна без экономических затрат, что в результате дает выгоду. В схеме Vestas OptiSlip, специально разработанный асинхронный генератор оснащен вращающейся встроенной электроникой и резисторами на валу, таким образом избавляя от скольжения - кольца и щетки. Здесь механизм управления заботится о более длительных изменениях ветра, в то время как система OptiSlip заботится о более быстрых изменениях из-за порывов ветра. Выходная мощность поддерживается на уровне номинального значения, скорости могут изменяться 25 между 1 и 10%-ым диапазоном скольжения. Принцип регулируемого скольжения не увеличивает получение энергии, но повышает качество вырабатываемой электроэнергии и снижает усилия в трансмиссии ветряной турбины, что имеет большое значение. Ветряные турбины будущего В современном мире стремительно возрастает роль лопастной ветроэнергетики. Однако есть ощутимые "но", например, локальные климатические изменения, низкочастотные вибрации, радиопомехи. Существуют варианты решения данных проблем. Одно из решений предлагает дизайнерское нью-йоркское агенство Atelier DNA. Идея состоит в разработке проекта энергообеспечения "зеленого", свободного от автомобилей города Масдара, который будет построен недалеко от Абу-Даби. Вместо лопастей будут умные, энергоэффективные стебли. Рис.19 - Высокотехнологичные ветростебли (Windstalks) Высокотехнологичные ветростебли (Windstalks) генерируют электричество тогда, когда есть ветер (разработчики подсмотрели идею у природы). Для Масдара будет достаточно 1203 ветростеблей, стоящих друг от друга на расстоянии 10-20 метров и в высоту 55 метров. Каждый ветростебель содержит электродные слои и керамические диски, при сжатии генерирующие ток. Сжатие является следствием покачивания "стебля на ветру". 26 Рис.20 – Внутренний вид ветроустановки Windstalks По предварительным оценкам, ветростебли будут выделять больше электричества, чем дает обычная ветроферма, т.к. ветростебли можно расположить очень близко друг к другу. Сверхмассивный ветряк Aerogenerator X Рис.21 - Сверхмассивный ветряк Aerogenerator X При слове «ветряк» мы привыкли представлять длинное основание, на вершине которого закреплен большой трехлопастной винт. Именно так выглядит большая часть ветрогенераторов, устанавливаемых в разных странах мира. Однако у такого дизайна есть недостатки – к примеру, зачем при установке ветряка в море делать его 27 высоким и длинным, а не использовать большие водные пространства «в ширину»? Примерно так рассуждали создатели концепта Aerogenerator X. Развернув такой ветряк в море, можно обойти ограничения, связанные с дальнейшим наращиванием длины лопастей традиционных ветряков. А также получить выработку энергии на уровне 10 МВт – это в три раза больше, чем может дать обычная конструкция. Еще бы, ведь размах лопастей Aerogenerator X составляет 275 метров! Город турбин в Ноорвегии Ветряные установки планируют построить на побережье Ставангер. Все вместе установки будут представлять небольшой город. Энергии должно будет хватить не только на Норвегию, но и на часть Европы. Рис.22 – Город турбин в Ноорвегии Географическое положение Норвегии даёт им преимущество в добывании электричества через ветер и воду. Так как Евросоюз поставил цель, что хотя бы 20 процентов энергии должно исходить из источников, которые черпают энергию из простой природной силы, то вполне возможно, что Норвегия станет основным производителем подобной энергии. С установкой таких генераторов создатели собираются обеспечивать 12 % энергии в мире к 2020 году. После реализации проекта появится около двух миллионов рабочих мест, а экологичная работа турбин сэкономит более 10.700 млн. тонн выбросов двуокиси углерода. 28 Заключение Среди пяти направлений инновационного развития российской экономики, поставленных президентом Дмитрием Медведевым в 2009 году, энергоэффективность и энергосбережение обозначены под номером один. Также в прошлом году были утверждены основные направления государственной политики в сфере повышения энергоэффективности электроэнергетики на основе использования ВИЭ на период до 2020 года. Сегодня российской энергетике для полноценного развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) необходимо закончить формирование нормативноправовой базы. "Принятие двух постановлений правительства - определения надбавки к равновесной цене оптового рынка электроэнергии для генерации на основе ВИЭ и второго, касающегося бюджетной компенсации затрат на присоединение генерации, использующей ВИЭ, к сетям общего пользования позволит реально развивать направление возобновляемой энергетики в России. В настоящее время Минэнерго совместно с другими министерствами и ведомствами активно работают над подготовкой этих проектов постановлений", - сообщил на открытии выставки по ВИЭ REenergy 2010 директор департамента государственной энергетической политики и энергоэффективности Минэнерго России Сергей Михайлов. Российские власти планируют в ближайшие десять лет построить 34 новых ядерных реактора как минимум в 13 регионах страны. Кроме того, российское правительство ввело с начала 2010 года нулевые пошлины на экспорт нефти с ряда месторождений Восточной Сибири. Каждый месяц сохранения нулевой ставки экспортной пошлины приносит экономию компаниям, работающим в Восточной Сибири, а бюджет недополучает около 10 миллиардов рублей, которые как раз и можно было бы направить на программы поддержки ВИЭ. Возможно, в скором будущем мы сможем увидеть солнечные панели, ветровые установки и приливные станции и в России. Но для этого необходимо не только вести разработки в этой области, а в этом мы сильно отстали, но и воплощать их в «жизнь». Можно сказать, что в России имеются энергетические технологии, использующие основные возобновляемые источники энергии. Правда, уровень их развития совершенно не отвечает ни потребностям государства, ни реальным возможностям полноценного применения ВИЗ. Несмотря на достаточно продолжительное их применение, все существующие системы продолжают оставаться на стадии научно-производственных исследований, конструкторских разработок, испытаний или ремонта после испытаний. 29 Список литературы 1) Leon Freris, David Infield. John Wiley & Sons, Ltd, 1986. 2) Heier, S. Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, 2nd edition, John Wiley & Sons, Ltd, Chich-ester, 2006. 3) Pedersen, T.K. ‘Semi - variable speed operation –a compromise?’ Vestas Danish Wind Technology A/S, Denmark, EWEA 1995 European Conference. 4) Олег Макаров - журнал "Популярная механика", май 2010 г. 5) Кимал Юсупов, (начальник отдела ВИЭ Siemens в России) - Деловой журнал "Энергополис", апрель, 2010 . 6) Научно-популярный журнал "Популярная механика" [электронный ресурс] – режим доступа: http:// www.popularmechanics.ru 30
