Семінарське заняття №4 План

1. Особливості матеріалів, що використовуються в термоенергетиці.

2. Перспективи створення потужних електростанцій на термоелементах.

3. Перетворення енергії вітру в електричну енергію.

4. Атомна енергетика, переваги і недоліки.

5. Термоядерний синтез. Існуючі розробки та перспективи використання.

6. Альтернативні джерела енергії.

1. Особливості матеріалів, що використовуються в термоенергетиці.

2. Перспективи створення потужних електростанцій на термоелементах.

3. Перетворення енергії вітру в електричну енергію.

Річний приріст енергії, одержуваної останнім часом у Європі за допомогою вітроенергетичних установок (ВЕУ), перевищує 30%. Настільки потужне зростання причинене збільшенням кількості подібних установок і підвищення їх потужності. Стрімкий розвиток технологій виробництва напівпровідників, зниження рівня втрат силових ключів і підвищення їх ефективності, поява нових засобів моделювання й проектування дає змогу створювати перетворювачі з унікальними техніко-економічними показниками.

Збільшення потужності силових ключів і постійне прагнення до зниження їх масогабаритних показників перетворюють розробку конструкції силових перетворювачів на один із найскладніших етапів проектування. Це повною мірою стосуються конверторів вітротурбін - одного із найбільш енергонасичених виробів силової електроніки. Загальні підходи до проектування вітроенергетичних установок у принципі застосовні до всіх виробів силової електроніки, тому на прикладі перетворювачів ВЕУ можна простежити основні тенденції її розвитку.

Інтеграція силових перетворювальних пристроїв

Підвищення ефективності і зниження габаритів перетворювального пристрою можливе внаслідок збільшення ступеня інтеграції. В галузі потужних перетворювачів це поняття має кілька рівнів. Стадії інтеграції не є специфічними для вітроенергетики, всі вони якоюсь мірою стосуються й інших галузей силової електроніки. Кожен із сегментів є специфічною галуззю, у якій проводяться відповідні дослідження й є свої компанії-лідери. Відповідно, запорукою успішного створення конкурентоспроможного виробу стає правильний вибір партнера на всіх стадіях розробки.

Виробник вітроенергетичної установки, як «кінцевий інтегратор», може придбати силові модулі й самостійно здійснити всі етапи проектування чи купити складений силовий каскад або повну конструктивно закінчену стійку. Довіряючи якийсь із етапів проектування партнерові, виробник готового виробу витрачає додаткові кошти, однак при цьому заощаджує час, одержує професійно спроектований і протестований блок і має можливість повністю зосередитися на своїй частині роботи. Крім того, правильно обраний партнер, який має більший досвід у проектуванні спеціалізованих продуктів, напевно виконає отримане завдання швидше і якісніше. Прикладом добре продуманої вертикальної й горизонтальної інтеграції зусиль може слугувати автоіндустрія, де ніхто з найбільших автовиробників не розробляє всіх вузлів автомобіля, а доручає цю роботу досвідченим контрагентам.

Історія й тенденції

Вітроенергетична установка конструктивно складається з вітроколеса з лопатями, підвищувального редуктора і генератора (мотор/генератора), які встановлюються на щоглі, й електронного блоку (інвертора). Для більшої надійності автономну систему електропостачання іноді доукомплектовують блоком сонячних батарей, бензиновим або дизельним електроагрегатом і акумулятором. Принцип дії вітрогенератора такий: сила вітру обертає вітроколесо з лопатями, передаючи крутний момент через редуктор на вал генератора. Таким чином, реалізується принцип перетворення механічної енергії в електричну.

Потужність вітрогенератора залежить від розмірів вітроколеса, швидкості вітру, а також висоти щогли. Нині вітрогенератори з діаметром лопатей від 0,75 до 80 м і більше. Інвертор є електронним блоком, що формує і стабілізує синусоїдну вихідну напругу. Акумулятор заряджається при номінальному режимі роботи ВЕУ і підживлює інвертор при відсутності вітру. У найпростіших ВЕУ, що називаються генераторами з постійною швидкістю, передавальне число редуктора вибирають таким, щоб генератор обертався при частоті, що небагато перевищує синхронну. У таких установках, зазвичай, застосовують класичні схеми статичних тиристорних комутаторів. Подібні прості й надійні конструкції вітрогенераторів і перетворювачів широко використовувалися аж до 1995 року. Енергетична криза й глобальні проблеми з утилізацією відходів викликали новий спалах інтересу до вітроенергетики. Майже всі західні держави почали інвестувати значні кошти в розробку й виробництво ВЕУ – екологічно чистих джерел електроенергії. На відміну від горючих енергоносіїв, запаси вітру на планеті невичерпні, крім того, вітроелектростанції не порушують екологічний баланс на відміну теплових- і гідроелектростанцій. Ми не згадуємо про екологічні проблеми, пов'язані з утилізацією відходів АЕС.

За останні кілька років через паливно-енергетичну кризу розвиток альтернативної енергетики одержав додатковий поштовх. У Західній Європі, Америці і Японії вже створені й за підтримки держави розвиваються асоціації альтернативної енергетики. Там розроблені й функціонують вітроенергетичні установки потужністю 1,5 МВт і більше. Електроенергія, вироблена за допомогою ВЕУ, у таких країнах, як Бельгія й Данія задовольняє значну частину загальнодержавної потреби. Прогнозується, що потужність європейських ВЕУ до 2010 року сягне 40 тис. МВт, а до 2020 року – 100 тис. МВт. За підрахунками фахівців, вартість вироблення 1 кВт потужності традиційної ВЕУ з вітроколесом за умови вирішення технічних проблем повинна бути нижчою, ніж вартість 1 кВт теплової або атомної енергії. Ця різниця стане ще більш істотною, якщо врахувати екологічну чистоту й безвідходність вітроенергетики. В 2001 році найнижча собівартість електроенергії на вітроенергетичній установці становила 3,61 цента США за 1 кВт·год, при вартості 1 кВт встановленої потужності $765. Беручи до уваги збільшення середньої потужності ВЕУ та підвищення коефіцієнта використання потужності, до 2010 року можна очікувати зменшення собівартості виробництва 1 кВт·год. електроенергії до 2,62 цента США (при вартості 1 кВт встановленої потужності $555), а до 2020 року — до 2,11 центів США (при вартості 1 кВт встановленої потужності до $447).

Порівняльні характеристики різних типів ВЕУ

Тип генератора	Переваги	Недоліки	Основні виробники
Асинхронний з постійною швидкістю Перетворювач – трифазний керований випрямляч	Проста й надійна тиристорна схема. Висока ефективність перетворення	Погана керованість, що обмежує галузь застосування. Можна використовувати тільки на частотах обертання, вищих від синхронної	NEG Micon, Vestas, Bonus, Nordex, Ecotecnia
Асинхронний зі змінною швидкістю й подвійним перетворенням (асинхронний мотор/генератор зі струмознімачами й фазним ротором). Перетворювач — 3-фазний конвертор/інвертор	Перетворювач працює із частиною струму генератора — потужність розсіюється менше. Порівняно добра керованість (при використанні IGBT). Висока ефективність перетворення (>99%)	Складна конструкція генератора. Конвертор та інвертор працюють незалежно, але відчутно впливають одного на оден через загальні DC-шини. Для нарощування потужності потрібне паралельне з'єднання інверторів	General Electric Wind, Nordex, DeWind, NEG Micon, RePower, Vestas
Синхронний зі змінною швидкістю й прямим керуванням	Проста конструкція й алгоритми керування. Відмінна керованість (при використанні IGBT). Можливість роботи без редуктора.	Конвертор працює при повному струмі генератора, ефективність не перевищує 96–98%.	Enercon, Lagerwey

Вимоги до збільшення потужності ВЕУ зростають, що спричинило розробку нового типу вітрогенераторів зі змінною швидкістю обертання (VSWT - Variable Speed Wind Turbine). 75% вітряків, випущених в 2001 році, і більше 80%, випущених в 2002 році, використовують цей принцип перетворення енергії вітру в електричну. Сучасні берегові (офшорні) вітроелектростанції потужністю 0,5–2 ГВт складаються, в основному, з вітрогенераторів зі змінною швидкістю.

Популярність такого типу вітряків обумовлена вищою ефективністю використання енергії вітру. Подібні установки можуть виробляти електроенергію при великих діапазонах зміни швидкості потоку повітря. Зі зростанням швидкості вітру вихідна потужність генератора збільшується. Електронна схема інвертора, що обслуговує генератор VSWT, трохи складніша, ніж у класичного генератора з постійною швидкістю, але це компенсується збільшенням більш ніж на 10% потужності. Уперше перетворювач для генератора зі змінною швидкістю запропонувала фірма Lagerwey в 1990-х роках, а остаточний варіант представила в 1995 році компанія TACKE. Стандартна схема сучасної ВЕУ містить асинхронний двигун/генератор з фазним ротором, керований 4-квадрантним реверсивним конвертором. Характеристики основних типів вітрогенераторів і силових перетворювачів наведені в таблиці.

Сучасні дослідження, проведені з метою поліпшення ремонтопридатності, підвищення ефективності й надійності ВЕУ, дали змогу зробити висновок, що найдоцільніше використовувати синхронні мотор/генератори з постійними магнітами, здатні працювати в режимі прямого керування без редуктора. Подібні розробки призначені насамперед для установок високої потужності (> 5 МВт), що використовують береговий вітер (offshore windmill). При проектуванні перетворювача вітротурбини розробник повинен врахувати, що всі рішення, застосовувані у вітроенергетиці, засновані в першу чергу на прагматизмі. Будь-яку апаратуру, призначену для вітротурбін, не треба обслуговувати в тривалий час, вона має бути неадійною. Умови експлуатації компонентів вітротурбін порівнянні з умовами експлуатації транспорту й є одними з найбільш жорстких. До вітрогенераторів, що працюють в глобальних енергетичних системах, ставлять надзвичайно високі вимоги, дотримання яких контролюють міжнародні організації, наприклад UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity). Мережа UCTE представляє інтереси операторів магістральних систем електропередачі в 20 європейських країнах, її основне завдання - безпечне функціонування об'єднаних енергосистем. Щорічне споживання електроенергії в мережах UCTE становить близько 2100 ТВт·год. Ця організація виробила вимоги до режимів роботи вітряків і з 1 січня 2002 року жодна ВЕУ, що не задовольняє цим вимогам, не може бути під’єднана до мережі.