Сборник докладов ИСИ 2015

УДК 620.92+621.311.24

А.Д.Карягин Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ФУНДАМЕНТОВ ДЛЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Цель работы – анализ эффективности и выбор оптимального типа фундамента для ветроэлектрической установки (ВЭУ) морского базирования.

В последнее время рынок оффшорной ветроэнергетики испытывает значительный подъём. Так среднегодовой рост вводимых мощностей в секторе ВЭУ морского базирования превышал 1 ГВт с 2013 года (рис. 1).

Среди используемых фундаментов для монтажа ВЭУ можно выделить несколько основных типов, представленных в таблице 1. Пилонные, гравитационные и ферменные фундаменты в силу простоты конструкции и отработанной технологии пока доминируют на рынке, однако в будущем в связи с экономным использованием территорий шельфов будут использоваться плавучие фундаменты, способные обеспечивать устойчивость ВЭУ на больших глубинах [1].

Рис. 1. Динамика ввода мощности действующих оффшорных ВЭС (по годам и кумулятивно)

Согласно мировому опыту экономически эффективно функционируют ВЭС, установленные на расстоянии до 40 км от берега и на глубине шельфа до 50…60 м [2, 3].

Несмотря на высокую стоимость, являющуюся следствием необходимости прокладки коммуникаций и устройства фундаментов под водой, а также монтажа ВЭУ, требующих специально оборудованных судов, вводятся в эксплуатацию оффшорные ВЭС всё большей мощности [4, 5].

281

ЛИТЕРАТУРА:

1.2014-2015 Offshore Wind Technologies Market Report, Aaron Smith, Tyler Stehly, and Walter Musial, National Renewable Energy Laboratory, September 2015

2.Оффшорные ВЭС, введённые в эксплуатацию в 2014 году [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.windpoweroffshore.com/article/, свободный. – Загл. с экрана.

3.Анализ экономической эффективности ВЭС [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www1.eere.energy.gov/wind/pdfs/, свободный. – Загл. с экрана.

4.Ежегодный прирост мощности оффшорных ВЭС в мире [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.statista.com/statistics/, свободный. – Загл. с экрана.

5.Развитие оффшорной ветроиндустрии до 2013 года [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gwec.net/wp-content/uploads/, свободный. – Загл. с экрана.

6.Елистратов В.В. Динамические расчёты системы ветроэнергетическая установка – фундамент – основание: учеб. пособие/ В.В. Елистратов, А.А. Панфилов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та., 1999, 48 с.

7.Елистратов В.В., Константинов И.А., Панфилов А.А. Нагрузки на элементы ветроэнергетической установки, на её фундамент и основание: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ. 1999. 38 с.

УДК 624.97

А.А.Атов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ВЫБОР И ОПТИМИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВЭУ ДЛЯ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

Одно из лидирующих мест по производству электрической энергии за счет возобновляемых видов энергии принадлежит ветроэнергетике. Ветроэнергетика — отрасль энергетики, изучающая и решающая задачи использования кинетической энергии ветрового потока, техническим воплощением которой являются ВЭУ, преобразующие кинетическую энергию воздушного потока в другие виды энергии (механическую или электрическую). Ветроэлектрическая установка (ВЭУ) является сложной системой, состоящей из множества элементов, взаимодействующих как друг с другом, так и с окружающей средой.

Цель работы: Анализ, выбор и оптимизация опорных конструкции ВЭУ для выбранного региона.

При выборе месторасположения ВЭУ главным критерием является среднегодовая скорость ветра: чем выше этот показатель, тем эффективнее будет работать ветроэлектрическая установка, и тем стабильнее будет передача электроэнергии потребителю.

Для эффективной работы ветроагрегата (ВЭА) конструкция башни должна быть устойчивой. Башня ВЭУ имеет важное экономическое значение, ее конструкция является самой большой и тяжелой частью ВЭУ. При сооружении башни ВЭУ большая часть затрат приходится на транспортировку и монтаж.

Высота башни зависит, в первую очередь, от места расположения ВЭУ. Для местности с большими искуственными и естественными неровностями поверхности (лес, жилье) применяются более высокие башни с целью использования скоростей ветра в более высоких слоях атмосферы и одновременно уменьшения турбулентности. Большая турбулентность обусловливает дополнительную нагрузку как на лопасти, так и на всю механическую часть ВЭУ.

На побережье и других местах с сильными ветрами сооружаются более низкие башни, так как что в этих районах ветер имеет достаточную скорость уже на малых высотах при сравнительно однородных потоках. На суше, наоборот, эффективнее сооружать более высокие ВЭУ. Исходя из вышесказанного, большинство изготовителей предлагают

283

различные варианты высоты и конструкции башен для одинаковых ВЭУ. Зависимость номинальной мощности от высоты ступицы приведена на рис. 1.

В настоящее время на рынке имеются множество предложений по типам башен ВЭУ. Они различаются по размеру, конструкции и предназначены для поддержки (ВЭА) разного размера и мощности. Вид конструкции башни зависит от типа установки, высоты ступицы и силы ветра. В табл. 1 приведены основные типы башен ВЭУ.

Выбор того или иного типа башни в конкретных условиях зависит от многих факторов, таких как:

1)наличие и качество транспортной инфраструктуры;

2)расценки на монтаж башенных конструкций в регионе;

3)доступность специализированной техники (краны с большим вылетом стрелы) и материалов;

4)климатические условия (возможность обледенения, влажность, агрессивность среды,

и т. п.).

5)геологическое строение основания.

Рис. 1. График зависимости номинальной мощности от высоты ступицы

284

В настоящее время в мировой практике для больших ВЭУ используются трубчатые стальные башни, решетчатые башни, или бетонные башни, следовательно их и необходимо рассматривать.

Решетчатые башни материалоемкие и соответственно легче и проще монтируются. Но они не подходят по ряду технических и климатических параметров из-за сложности технического обслуживания в холодных регионах.

Бетонные башни обладают лучшими вибрационными характеристиками и производят меньше шумов. Бетонная башня может отливаться на месте, а может собираться из готовых сегментов предварительно напряженной железобетонной конструкции. Транспортировка сегментов при бетонной конструкции проще, несмотря на то что они тяжелее остальных типов башен. Но из-за геологических условии в регионе такого типа башни не желательны.

Из-за внешнего вида, малой вибрации и большой надежности стальные трубчатые башни предпочтительнее для строительства ВЭУ в нашем регионе. Однако при такой конструкции могут возникнуть проблемы при транспортировке сегментов очень больших установок. Стальная башня обладает достаточно большим весом: при высоте мегаватной установки высотой от 60 до 120 м – от 60 до 2500 т. С увеличением высоты башни, толщина трубчатых секций увеличивается, и это приводит к увеличению ее себестоимости. Кроме того, её становится транспортировать и монтировать. Одним из основных преимуществ стальной трубчатой башни, является безопасность и удобство для обслуживающего персонала. В табл. 2 приведены достоинства и недостатки строительства башен ВЭУ в данном регионе.

Выводы: Учитывая все достоинства и недостатки строительства и эксплуатации башен в данном регионе, можно сделать вывод, что наиболее благоприятными конструкциями башен ВЭУ для использования на Северо-Западе России являются стальные трубчатые башни. По статистике во всем мире большинство крупных ветровых турбин поставляются с трубчатыми стальными башнями, изготовленными в высотном диапазоне от 20 до 30 м с фланцами на торцах секций для монтажа конструкции на месте.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Елистратов В.В., Панфилов А.А. Проектирование и эксплуатация установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Ветроэлектрические установки. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.

2.http://www.energybible.com/wind_energy/towers.html [Электронный ресурс]

3.Елистратов В.В. Использование энергии ветра на северо-западе России. http://www.baltfriends.ru/node/64 [Электронный ресурс]

4.http://energiewetra.at.ua/publ/bwe/konstrukcii/bashni_i_machty [Электронный ресурс]

5.http://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/WCEE2012_0582.pdf [Электронный ресурс]

285

УДК 626.01

А.А.Плотникова, Д.И.Софронова Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ОБОСНОВАНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ ЧИРЮРТСКОЙ ГЭС

В настоящее время большинство гидроэлектростанций, расположенных на территории Российской Федерации нуждаются в комплексной реконструкции как сооружений, входящих в состав гидроузла, так и модернизации основного и вспомогательного оборудования. На территории Республики Дагестан эксплуатируются 15 гидроэлектростанций, семь из которых являются малыми, общей установленной мощностью 1785,5 МВт и объемом вырабатываемой электроэнергии в средний по водности год 5086 млн. кВт·ч.

Целью данной работы является обоснование увеличения установленной мощности Чирюртской ГЭС, включающее в себя анализ социально-экономических и энергетических показателей по республике Дагестан.

Чирюртская ГЭС, расположенная в Кизилюртовском районе Дагестана между селениями Гельбах (Верхний Чирюрт) и Миатли, является нижней ступенью каскада гидростанций на реке Сулак. Относится к плотинно-деривационному типу станции с установленной мощностью 72 МВт, годовой выработкой электрической энергии 386 млн. кВт ч/год. Режим стока реки характеризуется затяжным половодьем с апреля по октябрь и устойчивой зимней меженью с ноября по март. Основными источниками питания реки Сулак являются талые воды высокогорных снегов и ледников, а также дождевые осадки.

Одной из основных задач ГЭС является наиболее полное и рациональное использование водноэнергетических ресурсов. Все гидростанции России руководствуются «Правилами использования водных ресурсов водохранилищ», утверждаемыми Министерством природных ресурсов страны для каждого или каскада водохранилищ. Основанием для увеличения мощности Чирюртской ГЭС служит увеличение по требованию водохозяйственного комплекса сезонных попусков в низовье р. Сулак Чиркейской и Миатлинской гидростанциями, превышающих пропускную способность Чирюртской ГЭС (составляет 200 м3/с). Это требование обусловливает необходимость попуска большого объема холостых сбросов на плотине Чирюртского гидроузла (рис. 1).

Рис. 1. Максимальный суточный сбросной расход на плотине Чирюртского гидроузла, наблюдаемый в течение месяца (2013-2014 гг.)

286

Нарастание объемов физически устаревшего оборудования, а также ежегодный рост энергопотребления обусловливают необходимость существенной модернизации ГЭС. В настоящее время дефицит электроэнергии в районах Дагестана сдерживает развитие промышленности. В данной работе анализируются показатели, которые характеризуют необходимость ввода новых мощностей в регионе:

численность населения;

потребление электроэнергии;

ввод объектов капитального строительства;

дефицит мощности.

Втабл. 1 приведены данные по республике Дагестан, отражающие положительную динамику роста численности населения [1].

В долгосрочной перспективе в республике Дагестан планируется реализация большого перечня инвестиционных проектов: строительство крупных транспортно-логистические и топливно-энергетических комплексов, объектов в промышленном и аграрном секторах, а также стройиндустрии [2], что обусловливает значительный прирост нагрузки и растущий дефицит электроэнергии. Более половины всей инвестиционной активности Республики Дагестан сосредоточено в двух крупных отраслях – в строительстве (32,1% общего объема инвестиций в основной капитал) и в производстве и распределении электроэнергии, газа и воды (24,5%).

Основными потребителями электроэнергии в республике являются городское и сельское население, жилищно-коммунальное хозяйство, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и связь, строительный комплекс (табл. 2).

Гидроэнергетические ресурсы Дагестана оцениваются в 55,17 млрд кВт∙ч в средний по водности год, что составляет около 40% потенциала рек Северного Кавказа [4]. Более 94% общего гидроэнергетического потенциала сосредоточено в бассейнах четырех рек — Сулака, Самура, Аварского Койсу и Андийского Койсу. В настоящее время освоено около 10% гидроресурсов республики, вследствие чего произведенной электроэнергии не хватает на удовлетворение потребностей региона в электроэнергии и поэтому часть ее она получает от других регионов. Однако к концу 2025 года планируется, что произведенной электроэнергии будет достаточно, чтобы полностью обеспечить внутреннее потребление (рис. 2), а также и экспортировать электроэнергию – прежде всего в закавказские республики, которые по прогнозам в 2025 г. будут энергодефицитными [5]. Это возможно осуществить за счет развития четырех основных направлений:

освоение экономически обоснованных гидроэнергетических ресурсов в бассейне реки Сулак;

освоение гидроэнергетических ресурсов второй водной артерии республики – р. Самур;

реконструкция и расширение действующих гидроэлектростанций;

восстановление и строительство новых малых ГЭС.

Рис. 2. Производство и потребление электроэнергии, млн. руб. [2]

Выводы. Реконструкция Чирюртской ГЭС позволит решить целый ряд задач: частичное устранение дефицита электроэнергии и мощности; уменьшение зависимости региона от поставщиков органического топлива; создание энергетической, производственной, социальной и транспортной инфраструктуры для реализации комплексной программы развития Дагестана; увеличение налоговых отчислений в местный бюджет; создание дополнительных рабочих мест, как во время реконструкции энергообъекта, так и на проектируемых предприятиях нового промышленного района и объектах транспортной инфраструктуры.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Федеральная служба государственной статистики. Данные о численности населения республики Дагестан. http://www.gks.ru/

2.Стратегия социально-экономического развития республики Дагестан до 2025 года.

3.Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Республике Дагестан. Электронный ресурс. http://dagstat.gks.ru/

4.ОАО «СО ЕЭС» «Анализ показателей балансов электрической энергии и мощности ЕЭС России» за 2014 год, I и II кварталы 2015 года.

5.Электронный ресурс. http://www.investdag.ru/files/invest2011.pdf

288

УДК 620.98

Д.А.Шиленок Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЭУ WINDTRONIC

В СОСТАВЕ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА ДЛЯ ЗАГОРОДНОГО ДОМА

Целью работы является проектирование автономной системы энергообеспечения загородного дома с использованием ВЭС WindTronics.

Использование современного оборудования преобразования ветровой и солнечной энергии и ее накопления позволят построить автономные системы альтернативного энергоснабжения даже в северных регионах России, где зимой особенно высока потребность в тепле и электричестве. Это комбинированные системы, которые используют как ветровую, так и солнечную энергию, а централизованный блок мониторинга управляет системами преобразования и принимает решение по наиболее эффективному ее использованию (питание потребительской нагрузки, накопление в электрическом или тепловом аккумуляторе) [1].

Новое поколение ветрогенераторов, разработанное компанией Honeywell (США) совместно с компанией WindTronics (США) для районов с низкой скоростью ветра. Особенности WindTronics запатентованная технология Blade Tip Power System (BTPS). В нем аэродинамическое сопротивление снижено за счет особой конструкции турбины, в которой на концах лопастей закреплены сильные постоянные магниты, а по ободу смонтировано 68 статорных катушек (рис. 1). При таком решении ротор одновременно является и генератором электрической энергии. Специальные закрылки на лопастях позволяют турбине начинать движение при скорости ветра 0,2 м/сек. В настоящее время это значение является рекордным для генераторов.

Кардинально новый подход в конструкции ветрогенераторов позволил существенно увеличить эффективность и уменьшить скорость страгивания. Ветрогенератор при диаметре ротора 1,8 м начинает вращаться при скорости ветра 0,2 м/с, при этом скорость страгивания ветрогенераторов «пропеллерного» типа 2,5 – 3,5 м/с.

Рис. 1. Статор ветрогенератора WindTronics

289

Для расчета количества вырабатываемой энергии используют среднемесячное значение скорости ветра с применением функции Вейбулла [2].

Как видно из распределения Вейбулла (рис. 2), при средней годовой скорости ветра 2,0- 5,0 м/с, наиболее вероятна скорость ветра 2,0-3,0 м/с. Реальная эффективность при средней скорости ветра 3,6-4,0 м/с ветрогенератора WindTronics [3] cоставляет 1087,64 кВт·ч/год. Аналогичные трёхлопастные ветрогенераторы – 679 кВт·ч/год.

Благодаря конструктивным особенностям, малым габаритам и небольшому весу (диаметр 1,8 м, вес 84 кг) ветрогенератор может устанавливаться не только на мачтах, но и на крышах жилых и административных зданий, на телекоммуникационных вышках и промышленных сооружениях, имеет современный дизайн и характеризуется практически бесшумной работой. Варианты установки приведены на рис. 3.

Рис. 2. Годовая выработка электроэнергии при средней скорости ветра 2,6 м/с с учетом функции Вейбулла

Рис. 3. Варианты расположения

Технические характеристики:

габаритные размеры: 1900х1900х500 мм;

размах лопастей: 1800 мм;

290