Аккумулирование энергии в ветроустановке

В настоящее время в аграрном секторе России существуют небольшие фермерские хозяйства, которые значительно удалены от централизованного электроснабжения, кроме того, у крупных хозяйств также имеются автономные потребители электроэнергии. Для таких хозяйств наиболее приемлемым является автономное электроснабжение, которое может быть реализовано различными способами.

В частности в настоящее время заинтересованность в применении ветроэнергетических установок (ВЭУ) для автономного электроснабжения объектов АПК воз- растает как во всем мире, так и в Российской Федерации в частности. В России существует значительный нереализованный потенциал в области ветроэнергетики, который составляет около ¼ общего потенциала всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако нерегулярность ветра препятствует эффективному внедрению ВЭУ, так как возникает проблема низкой надежности поставки вырабатываемой электроэнергии потребителю, что вынуждает запасать энергию в аккумуляторах или дублировать ветроустановки топливными электростанциями. Учитывая возможное истощение углеводородного топлива и его отрицательное влияние на экологию, более перспективным следует считать аккумулирование энергии.

Ранее проведенными исследованиями [1] установлено, что ветер с необходимой скоростью может отсутствовать несколько дней (рисунок 1). В этом случае приходится завышать мощность ветроустановки и увеличивать емкость аккумуляторных батарей. Расчеты показывают, что для надежного автономного электроснабжения емкость аккумуляторов составляет 100– 200 А·ч на 1 кВт нагрузки при напряжении 220 В. Таким образом, аккумулирование энергии, решая экологические проблемы, в то же время усиливает проблему стоимости автономных ветроэлектростанций.

Скорость ветра, м/с

1 – нерабочий; 2 – энергетический период

Рисунок 1 – Продолжительность энергетических и нерабочих периодов, наступающих с вероятностью 0,95 для Ростовской области

В этой связи была поставлена цель – найти перспективные аккумуляторные системы, не требующие высоких денежных затрат на аккумулирование энергии.

Ранее проведенный анализ [1] показал, что наиболее эффективными в автономных электростанциях являются электрохимические аккумуляторы. Это объясняется минимально возможным числом преобразований аккумулируемой энергии и возможностью хранить электроэнергию некоторое, достаточно продолжительное время. Другие виды аккумуляторов или требуют крупногабаритных материалоемких сооружений, или не способны хранить накопленную в них энергию. Однако еще не исчерпаны возможности повышения их эффективности.

Все виды аккумуляторов можно классифицировать следующим образом (рисунок 2).

Сдерживающим фактором применения электрохимических аккумуляторов, несмотря на такие достоинства как компактность и высокий КПД, является их высокая стоимость. При обеспечении надеж-

Рисунок 2 – Классификация аккумуляторов энергии

В качестве альтернативы электрохимическим аккумуляторам были рассмотрены механические аккумуляторы, которые предназначены для сохранения механической энергии и подразделяются по виду запасаемой энергии, потенциальной или кинетической. К первому виду относятся пневматические, пружинные и гравитационные аккумуляторы. Пружинные аккумуляторы запасают энергию в сжатой, растянутой или закрученной пружине, которая пропорциональна квадрату перемещения. Пневматические аккумуляторы запасают энергию сжатого газа, которая равна произведению его давления и объема. Наиболее простой аккумулятор – это поднятое над землей тело (твердое или жидкое). К сожалению, удельная энергоемкость таких аккумуляторов невелика. Например, для ности автономного электроснабжения не менее 0,9 стоимость аккумуляторных батарей уравнивается со стоимостью ветроэлектростанции.

нагрева 1 литра воды от 20 ○С до кипения потребуется поднять на высоту 10 метров груз массой 3425 кг. В силу малой энергоемкости потенциальные аккумуляторы весьма материалоемки, что препятствует их широкому применению.

Более эффективны по энергоемкости кинематические или гироскопические аккумуляторы. В этих аккумуляторах запасается кинетическая энергия во вращающемся маховике. Запасенная энергия определяется по известной формуле

J to¹

2   ,

где E – энергия вращающегося маховика, Дж;

J – момент инерции маховика, кг·м²;

ω – частота вращения маховика, с-1.

Следовательно, увеличивая угловую частоту вращения маховика, можно добиваться значительных запасов энергии.

Проведенный краткий анализ показал, что механические аккумуляторы рас- смотренных видов (потенциальной и кинетической энергии) обладают противоположными характеристиками (таблица 1).

Таблица 1 – Сравнительные характеристики механических аккумуляторов

Аккумуляторы по виду запасаемой энергии	Достоинства	Недостатки
Потенциальная энергия	Возможность хранить запасенную энергию	Малая энергоемкость
Кинетическая энергия	Высокая энергоемкость	1.    Невозможность хранить запасаемую энергию. 2.    Уменьшение частоты вращения по мере расходования энергии.

• 1    – ВЭУ; 2 – блок управления и преобразования напряжения; 3 – перфорированный участок обсадной трубы; 4 – поворотное перфорированное кольцо; 5 – емкость для накопления воды; 6 – обсадная труба; 7 – погружной насос; 8 – электрогенератор;

9 – гидротурбина; 10 – питающая скважина; 11 – поглощающая скважина Рисунок 3 – Ветроэнергетическая установка со скважинной гидроаккумулирующей системой

Отмеченные недостатки аккумуляторов второго вида ограничивают их применение в ветроэнергетике только в качестве стабилизаторов частоты вращения ветро-колес пропеллерного типа.

Аккумуляторы первого типа в малой ветроэнергетике практически не применяются из-за низкой энергоемкости, что в свою очередь порождает высокую материалоемкость. Однако, на наш взгляд, еще не 29

раскрыты и не использованы все возможности снижения материалоемкости, в частности, практически не рассмотрены возможности использования природных условий, что может значительно повысить эффективность. Например, учет природных условий позволил применять гидроаккумулирующие ГЭС, эффективность которых доказана и проверена.

Для повышения эффективности гравитационных аккумуляторов предлагается использовать скважины (рисунок 3).

Система работает следующим образом.

• 1.    Режим накопления энергии.

• 2.    Режим потребления накопленной энергии.

Если вырабатываемая ВЭУ 1 электроэнергия частично или полностью не используется потребителем, то полученное от ветрогенератора постоянное напряжение преобразуется инвертором в переменное и используется для питания электродвигателя погружного насоса 7. Погружной насос 7 перекачивает воду из питающей скважины 10 в емкость для накопления воды 5, причем поворотное перфорированное кольцо 4 находится в положении «закрыто» (отверстия в кольце 4 и в перфорированном участке обсадной трубы 3 не совпадают). Накопление воды прекращается в случае полного заполнения емкости 5, остановки ветроколеса вследствие снижения скорости ветра, и если потребителю потребуется вся электроэнергия, вырабатываемая ВЭУ 1.

Если ВЭУ 1 не способна обеспечить потребителя необходимым количеством электроэнергии вследствие отсутствия ветра или его недостаточной скорости, то поворотное перфорированное кольцо 4 переходит в положение «открыто» (отверстия в кольце 4 и в перфорированном участке обсадной трубы 3 совпадают), и вода из емкости 5 поступает в поглощающую скважину 11. Поток воды вращает гидротурбину 9, которая соединена с якорем электрогенератора 8. Электрогенератор 8 вырабатывает электроэнергию, которая поступает на блок управления и преобразования напряжения 2 и затем к потребителю.

Выводы

– аккумулирование энергии, вырабатываемой ВЭУ, является наиболее перспективным способом повышения надежности электроснабжения потребителя;

– сдерживающим фактором применения электрохимических аккумуляторов, несмотря на такие достоинства как компактность и высокий КПД, является их высокая стоимость;

– использование скважин для повышения эффективности гидравлических аккумуляторов увеличивает возможности применения последних в системах автономного электроснабжения.