2891

Достоинством этого типа ротора является его более высокая эффективность работы по сравнению с другими вертикальными ветрогенераторами; работа при низких скоростях ветра. Недостатком этого ротора является его более высокая стоимость за счет использования большого количества профилированных лопастей.

2.3. Ветроэнергетические установки

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации ветра (рис. 2.13). Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95 %, а потери электрической энергии при ее передаче не превышают 10 %. Предъявляемые требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии.

Рис. 2.13. Ветроэнергетические установки

Современные ВЭУ – это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен

41

ватт до нескольких мегаватт. Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого активного типа (карусельного, Савониуса и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от вышеуказанных ветроколес, использующих подъемную силу). Однако такие установки имеют очень низкий КПД (менее 20 %), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

Основные компоненты ВЭУ:

–ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятковметров. Частотавращения составляет от15 до 100 об/мин;

–мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом

иэлектрогенератором, которое повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора;

–башня (ее иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;

–основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. КПД достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт. Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ВЭУ с единичной мощностью от 100 до 500 кВт.

2.3.1. Автономная ветроэнергетическая установка

Автономная ветроэнергетическая установка (АВЭУ) мощностью 30 кВт представляет собой гибридную энергетическую систему, состоящую из трех энегроисточников: ветроагрегата, комплекта аккумуляторныхбатарейи дизель-генераторнойустановки (рис. 2.14).

42

Рис. 2.14. Автономная ветроэнергетическая установка

Автоматическая система управления и контроля мощности установки, основу которой составляет встроенный компьютер, в зависимости от наличия и интенсивности ветра в заданном программой алгоритме обеспечивает надежную работу гибридной энергетической системы и стабильно снабжает объект качественной электроэнергией, минимизируя расход дизельного топлива. Всё необходимое электрооборудование, комплект АКБ, дизель-генераторная установка размещены в контейнерах, оборудованных системами жизнеобеспечения. Конструктивные особенности и преимущества АВЭУ:

– в ветротурбине используется сверхтихоходный генератор – не требуется редуктор;

43

–шарнирное закрепление лопастей снижает вибрации и динамические нагрузки на лопасть;

–простой и надежный механизм ориентации на ветер (виндрозный) обеспечивает малую скорость разворота гондолы, существенно снижая гироскопические нагрузки на конструкцию;

–виндрозный механизм не потребляет электроэнергию;

–электроэнергия от генератора к основанию мачты передается по гибкому скручивающемуся кабелю, при этом не требуется токосъемного устройства, что повышает надежность работы установки.

2.3.2. Офшорные ветроэнергетические установки

До недавнего времени потенциал офшорной ветровой энергии во многих странах игнорировался, так как обширные ветроресурсы на суше обладали возможностью для удовлетворения нужд в электроэнергии, необходимой для большинства стран. Однако требование передачи электроэнергии к крупным центрам ее потребления начало ограничивать расширение сетей ветроэлектростанций для наземных ВЭУ. Офшорные ветровые турбины могут вырабатывать электроэнергию вблизи крупных центров потребления электроэнергии (рис. 2.15).

Офшорные ветровые турбины обладают по сравнению с наземными рядом преимуществ. Размер наземных ветродвигателей ограничивается пределами функциональных возможностей имеющегося в распоряжении транспортировочного и строительного оборудования. Проблемы транспортировки и строительства смягчаются в открытом море, где размер и грузоподъемность морского корабельного погрузочно-разгрузочного оборудования всё еще превосходят требования, предъявляемые для установки мегаваттных ВЭУ. На суше зрительное впечатление от крупных ветродвигателей в населенных районах может быть отрицательным. На значительном удалении от берега обременение зрительного восприятия снижается до минимума, и ветродвигатели могут быть крупнее, обеспечивая, таким образом, увеличение суммарной установленной мощности на единицу площади. В открытом море требуется меньше затрат на снижение излучения ветротурбиной шума,

44

борьба с которым увеличивает стоимость наземных ВЭУ. Кроме того, на море ветры имеют тенденцию дуть сильнее и с большим постоянством, чем на суше. Более сильный ровный ветер означает меньший износ компонентов ветродвигателя и большее количество электроэнергии, вырабатываемой в расчете на 1 м2 ометаемой площади. Наземные ветродвигатели часто устанавливают в отдаленных областях, где электроэнергия должна передаваться в густонаселенные районы по относительно протяженным ЛЭП. Офшорные ветродвигатели могут быть расположены близко к городским центрам потребления электроэнергии, упрощая проблемы ее передачи.

Рис. 2.15. Офшорные ветроэнергетические установки

К отрицательным факторам офшорной ветроэнергетики относятся высокие капитальные вложения, затрудненная доступность и высокие затраты на техобслуживание и текущий ремонт. Кроме того, окружающие условия на море более суровы, сказываются значительное корродирование от воздействия соленой воды и дополнительные нагрузки от волн и льда.

2.4. АэроГЭС – чистая вода и энергия из облаков

Главные преимущества АэроГЭС (рис. 2.16):

1) громадный потенциал, в десятки или сотни раз превосходящий все потребности человечества;

45

Рис. 2.16. Схема АэроГЭС:

1 – нижний бьеф; 2 – верхний бьеф; 3 – водовод; 4 – турбогенератор; 5 – сетчатые, тканые или пленочные поверхности; 6 – дирижабль; 7 – крепежные тросы

2)возможность повсеместного использования за счет природного аккумулирования и равномерного распределения солнечной энергии в атмосферной влаге;

3)принципиальная возможность аккумулирования энергии при использовании АэроГЭС и как гидроаккумулирующей станции, и как накопителя водорода;

4)получение нескольких важнейших ресурсов одновременно – электрической энергии, водорода, пресной воды;

5)принципиальная возможность для больших АэроГЭС снижения себестоимости энергии на 1–2 порядка;

6)абсолютная экологическая безопасность по любым загрязнениям, спасение климата и теплового баланса планеты.

Проблемы, возникающие при использование АэроГЭС:

1. Физическая – замерзание воды. Несмотря на то что в облаках вода остается в жидкой фазе до –10 °С, на сетках АэроГЭС она,

46

скорее всего, будет замерзать, как обычно, при 0 °С. Это ограничивает их круглогодичное использование в северных странах, в частности в России.

2. Эксплуатационная – неравномерность облаков. Возможные пути решения данной проблемы:

–предполагаемый альтернативный механизм индуцированной конденсации на сетке;

–аккумулирование воды на верхнем бьефе;

–традиционные методы для возобновляемой энергетики, например аккумулирование путем выработки водорода или восстановления алюминия для транспортных топливных компаний.

3.Инженерная – получение энергии свысотыболее 2000 м.

47

3. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Геотермика изучает тепловое состояние земной коры и Земли в целом в зависимости от геологического строения, магматических процессов и т.д.

Критерий теплового состояния земной коры – поверхностный градиент температуры.

Геотермическая ступень (σ) – глубина в метрах, при которой температура растет на 1°. При определении не учитывают первые 2–40 м, где существуют суточные и годовые колебания. Среднее по Земле σ = 33 м, однако значения сильно варьируются. В областях современного вулканизма σ = 2…3 м. На Камчатке на глубине ~500 м Т ≈ 200 °С. В зонах вечной мерзлоты с глубиной промерзания более 1000 м σ составляет около 500 м. В условиях платформенной территории (европейская часть России) σ составляет ~50 м.

Температура пород и содержащихся в них вод зависит от глубины залегания и от близости к центрам геотермической активности (вулканы, разломы и т.д.)

Подземные термальные воды (гидротермы)

Вода – подвижный и теплоемкий энергоноситель в земной коре, насыщающий породы осадочных и гранитных оболочек. Она играет важную роль в тепловом балансе.

По всему земному шару, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей, залегают пласты, содержащие термальные воды – гидротермы и создающие гидротермальную оболочку. В районах вулканизма она местами выходит на поверхность – горячие источники, гейзеры, парогазовые струи.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах. В зависимости от температуры на устье скважины геотермальные воды классифицируются как: а) слаботермальные (37° < t < 40°), б) термальные (40° < t < 60°), в) высокотермальные (60° < t < 100°), г) перегретые (t > 100°).

48

Кроме того, геотермальные воды классифицируются по химическому и газовому составу: по минерализации (пресные, соленые), по жесткости, по кислотности (кислые, нейтральные, щелочные), по газовому составу (сероводородные, углекислые, метановые, азотные и т.д.), по газонасыщенности.

Встречаются экзотические виды: сверхкрепкие рассолы (минерализация >600 г/л), с растворенными агрессивными газами (атомарный водород) и т.д.

Могут быть использованы все виды вод: перегретые – электроэнергетика, пресные термальные – теплообеспечение, солоноватые – медицина, рассолы – промышленное сырье.

Происхождение термальных вод

Чаще термальные воды образуются за счет постепенного отбора тепла у пород. Такие воды называются инфильтрационными. Они проникают через поры с поверхности Земли в глубину. Водостоки постепенно нагреваются, в равнинных районах становятся термальными на глубине ~1 км. При быстром подъеме наверх по крупным дефектам коры не успевают остыть, образуются горячие ключи. Термальные воды можно также получать искусственно бурением скважин: сглубины до 4 км добывается вода температурой до 100 °С.

Реже термальные воды образуются из тепловых очагов: Ювенильные – конденсируется из паровых струй, вырвавших-

ся из расплава магмы.

Вулканические – инфильтрованная вода, перегретая расплавом магмы – гейзеры, грязевые грифоны и котлы, паровые струи и т.д.

Типы месторождений термальных вод

Конвекционное происхождение – в районах современной или недавней вулканической деятельности и в рифовых зонах (тектоническая активность, повышенный температурный градиент – 45–70 °/км). На поверхность выходят горячие воды и пароводяная смесь. Нынешние ГеоТЭС работают в таких районах.

Кондуктивный прогрев – воды сосредоточены в платформенных и предгорных впадинах, геотермический градиент нормаль-

ный (33 °/км).

49

3.1. Прямое использование геотермальной энергии

Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных коллекторов с глубины 0,5–3 км. Средняя обеспечиваемая мощность скважины ~4 МВт.

ГеоТЭС с непосредственным использованием природного пара: подается прямо в турбину и далее уходит на сброс. Стоимость минимальна, так как состоит только из турбины и генератора, может использоваться как передвижная. Например, одна из станций в Италии мощностью 16 МВт (4 генератора по 4 МВт) снабжается паром от 8 скважин.

Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим поступлением в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторичный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные эксплуатационные затраты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рис. 3.1 и 3.2).

Рис. 3.1. Схема геотермальной тепловой электростанции: 1 – вода; 2 – пар; 3 – насос; 4 – паровая турбина; 5 – электроэнергия; 6 – генератор

50