Применение ветровых турбин, работающих параллельно с сетью, внутри энергохозяйства сельхозпредприятия

В последнее время все больше и больше факторов оказывают влияние на экономические показатели деятельности предприятий агропромышленного комплекса России. Одним из таких событий является ежегодный рост тарифов на электрическую энергию.

Анализ причин, влияющих на стоимость электроэнергии показывает, что данное направление будет устойчиво сохранятся. Исходя из этого очевидно, что применение мер повышения энергоэффективности предприятий становиться залогом успешной работы в будущем. Одним из методов повышения энергоэффективности предприятия является применение систем альтернативного энергоснабжения более дешевой электроэнергией. И имея сети 0,4 кВ на своем балансе, предприятия имеют возможность в качестве источника энергии применить ветровые турбины.

Применение ветровых турбин, так же как и у любого другого способа повышения энергоэффективности имеет как плюсы, так и минусы.

К положительным аспектам ветровых систем можно отнести следующее:

Разумеется, существуют и недостатки ветровых энергетических установок, основными из которых являются следующие факты:

Здесь умышленно не рассматриваются такая характеристика работы турбины как шум, так как современные установки малой мощности издают шум при работе не выше естественного шума окружающего места при такой же скорости ветра и уровень этого шума лежит в допустимых пределах санитарных норм. Колебания низкой частоты, которые могут быть восприняты при работе ветровых турбин, издают машины, имеющие большие размеры, а применение турбин, имеющих мощность 500 кВт и выше в данном случае нецелесообразна.

На сегодняшний день применение ветровых турбин в России регламентирует ГОСТ Р 51990-2002. Данный ГОСТ прежде всего систематизирует типы ветровых турбин по мощности, типу функционирования, условиям работы и способам их подключения к потребителям (1).

В данной статье рассматривается идея применения ВЭУ, работающей параллельно с сетью самого предприятия, что является наиболее интересным с экономической точки зрения. Суть их работы заключается в том, что они, как обычные энергетические устройства (например, станки, электродвигатели, печи п т.д.) подключаются к сети, в данном случае к сети 0,4 кВ, как правило принадлежащим хозяйству. И при достижении определенных условий (скорость ветра, момент на валу генератора) начинают генерировать электричество в сеть. Данная электроэнергия «вливается» в энергобаланс предприятия, расходуясь на собственные же нужды. В случае, когда турбина генерирует энергию, а потребления этой энергии нет, происходит передача её через трансформатор в сеть. Экономическая выгода от установки данной турбины заключается в экономии на платежах за электрическую энергию сбытовой организации на сумму вырабатываемой турбиной электроэнергии.

Для изучения и проверки предполагаемой эффективности работы было произведено наблюдение за работой ветровой турбины Нордтанк, мощностью 55 кВт, изображенной на рисунке 1,  в составе энергобаланса ООО «Тюльганский Электро Механический Завод», расположенного в  г.Оренбурге, станция Каргала. Данная турбина была подключена к сети предприятия напряжением 0,4 кВ. Замеры параметров производились в течении октября месяца 2010 года, длительностью 31 день.

Город Оренбург и находящаяся рядом станция Каргала расположены в междуречье рек  Урал и Сакмара. Рельеф местности возвышенный, равнинно-холмистый, покрытый степной растительностью.

Турбина расположена в месте с не совсем хорошими условиями: в 35 метрах от башни находятся строения высотой 6 – 9 метров и зеленые насаждения, данные условия соответствуют третьему классу шероховатости ландшафта. Расположение турбины на местности показано на рисунке 2.

 Рисунок 1 Ветровая турбина 55 кВт на базе ВЭУ Nordtank 55/11

 Ветровая турбина Нордтанк, регулируемая срывом потока, оснащена двумя генераторами на 55 и 11 кВт и имеет следующие характеристики:

Номинальная мощность при скорости ветра 12 м/с	55 кВт
Диаметр ротора	16 метров
Высота ступицы ротора	18 метров
Скорость вращения ротора	46 об/мин
Скорость ветра, необходимая для начала работы	3,5 м/сек
Максимальная скорость ветра	25 м/сек

 

Рисунок 2 Cитуационный план расположения ВЭУ в поселке Каргала

 

Рисунок 3 Кривая зависимости вырабатываемой турбиной мощности от скорости ветра

 

На рисунке 3 представлена зависимость вырабатываемой ветровой турбиной Нордтанк 55/11 мощности от скорости ветра. Видно, что максимальную эффективность турбина достигает на скоростях ветра выше номинальной скорости, т.е. 12 м/сек.

Для успешной реализации проекта альтернативного энергоснабжения с помощью ветровой турбины необходимо вычислить величину предполагаемой годовой выработки ВЭУ в данном месте. Существует следующий алгоритм вычисления предполагаемой выработки ВЭУ при привязке к определенному месту:

То есть, суть этого алгоритма сводится к сопоставлению кривой мощности ВЭУ и гистограммы удельной мощности ветра в данном районе, определяемой по данным наблюдения на метеостанции, расположенной рядом с этим местом.

Рисунок 4 Гистограмма средней по всем секторам удельной мощности ветра, измеренной на высоте 10 м в г. Оренбурге

Рисунок 4 показывает гистограмму ветровых условий для г. Оренбурга, именно эта информация используется в качестве исходных данных ветровых условий для расчета выработки турбины. На оси абсцисс расположены значения скорости ветра, а на оси ординат процент действия этих скоростей в течении года. Гладкая кривая соответствует аппроксимации данных функцией Вейбулла с данными параметрами А и k. Параметры Вейбулла, А и k, описывают среднюю скорость ветра и форму кривой распределения мощностей ветра в процентах от количества времени действия (2).

Таблица 1 Расчетная годовая выработка э/энергии ВЭУ Нордтанк 55/11 в районе г. Оренбурга

Скорость ветра, м/с	% действия в течении года	Количество часов действия	Вырабатываемая мощность, кВт*ч
3.50 – 4.50	16.4	1 437	2 773.40
4.50 – 5.50	12.3	1 077	5 331.20
5.50 – 6.50	9.2	806	6 488.30
6.50 – 7.50	6.6	578	9 739.30
7.50 – 8.50	4.1	359	8 942.70
8.50 – 9.50	2.8	245	7 526.40
9.50 – 10.50	1.7	149	5 459.40
10.50 – 11.50	0.8	70	3 091.20
11.50 – 12.50	0.6	53	2 554.60
12.50 – 13.50	0.2	18	934.40
13.50 – 14.50	0.1	9	485.40
14.50 – 15.50	0.1	9	502.70
15.50 – 16.50	0.03	3	165.10
16.50 – 17.50	0.03	3	155.50
17.50 – 20.00	0.03	2	144.50
ИТОГО			54 294.10

 

В таблице 1 получены результаты сопоставления данных, описывающих ветровые условия и данных зависимости вырабатываемой турбиной мощности. Так, без учета влияния рельефа, шероховатости и затеняющих объектов ежегодная прогнозируемая выработка для Нордтанк 55 кВт составляет 54,29 мВт*ч для данных ветровых условий. Эта итоговая величина берется в качестве эталонной величины годовой выработки при условии идеальной местности и данных ветровых условий. Далее необходимо учесть  влияние рельефа, шероховатости территории и затеняющих объектов, расположенных в этом месте.

Для расчета коэффициентов, описывающего влияние условий расположения турбины, сопоставляют  диаграмму времени действия ветра в зависимости от направления с планом места установки турбины с указанием на ней всех объектов, оказывающих влияние на ветер и характеристик ландшафта, таких как холмы, горы, низины, равнины, водоемы и т.д. Рисунок 5 показывает круговую диаграмму действия ветра в данном месте в зависимости от направления (румбов). Например, подсчитаем снижение параметра А при направлении ветра в секторе, соответствующем 180 градусам,  На рисунке 6 изображена гистограмма сектора, соответствующего 180 градусам или направлению юг (направление вниз на рисунке 5).

Рисунок 5 Распределение времени действия ветра в зависимости от  направления

 

Снижение параметра А, равного 5,2 м/с, определяется следующими величинами:

В данном случае x/h = 5, H/h = 2.1, R = 2L/x = 0.89, Акорр = А(1 – 0.6/0.89) = 0.33А.

Аналогично рассчитываются данные по другим секторам и выводиться среднее значение Акорр. Для турбины Nordtank, расположенной в пос. Каргала на территории завода Акорр = 0.3А, т.е. Прогнозируемая годовая выработка данной турбины в этом месте с известными ветровыми условиями равна 0.3*54.29 = 16.287 мВт*ч.  Данный расчет является упрощенным и для более сложного рельефа и большего количества затеняющих объектов применяются более сложные математические модели (2).

  Рисунок 6 Гистограмма удельной мощности ветра сектора 180⁰, соответствующего направлению юг,  измеренной на высоте 10 м в г. Оренбурге

 

На рисунке 7 представлена статистика выработки и потребления электроэнергии за октябрь месяц. Статистика основана на ежедневных показаниях счетчиков, расположенных на стороне 10 кВ подстанции, через которую осуществляется энергоснабжение предприятия и на ВЭУ. В общем, за октябрь было потреблено от энергосбытовой организации 17,8 мВт*ч и произведено от ВЭУ 1 мВт*ч.

Рисунок 7 Cтатистика потребления и выработки энергии

 

То есть экономия составила порядка 6 %. Из графика видно, что энергия, выработанная ВЭУ, замещает энергию, полученную из сети, и как снижалось потребление энергии из сети в дни с большой ветровой нагрузкой. Данная работа показывает жизнеспособность идеи применения ВЭУ, работающей параллельно с сетью, внутри энергохозяйства предприятия. При реализации этой идеи на предприятиях АПК будет дополнительное преимущество в виде более благоприятных условий поверхности и возможности размещения ВЭУ в месте, где отсутствуют затеняющие объекты, т.к. коэффициент, описывающий влияние условий размещения опытной ВЭУ в пос. Каргала был равен приблизительно 0,3. Т.е. выработка энергии составила приблизительно 30% от теоретически максимально возможной для данных ветровых условий. Данный коэффициент подтверждается статистикой: за 5 месяцев (с сентября по январь) турбины произвела 7 135 кВт*ч электроэнергии, т.е в среднем 1 427 кВт*ч производилось ежемесячно. Это соответствует 17 124 кВт*ч годовой выработки, что приблизительно равно расчетной годовой выработке электроэнергии.

Источники

(1) ГОСТ Р 51990-2002 Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация

(2) А.Н.Старков, Л.Ландберг, П.П. Безруких, М.М. Борисенко Атлас ветров России М.: «Можайск Тера», 2000

 

 

А.Б. Колесников, соискатель ОГАУ, 2011 год