автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование параметрических характеристик энергоэффективных и экологически безопасных систем комплексного теплоэнергоснабжения автономных потребителей на базе ветроустановок

На правах рукописи

КУХАРЦЕВ Владислав Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ТЕПЛОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ ВЕТРОУСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2005 г.

Работа выполнена на кафедре промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Спиридонов Александр Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Харченко Виктор Николаевич

кандидат технических наук Папушкин Виталий Николаевич

Ведущая организация

Тушинский машиностроительный завод (ТМЗ)

Защита состоится «лреп Я 2005 г. в О. час.Оо мин. в аудитории Г- 'н Об на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « /4 » ¡uu р та_2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 157.10

к.т.н., профессор

Кулешов Н.Е

60*9

тми

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время более 70% территории России с населением около 22 млн человек не охвачены системой централизованного энергообеспечения Электроснабжение большинства азтономных потребителей осуществляется, как правило, от дизельных энергоустановок (ДЭС), а теплоснабжение - с помощью водогрейных котельных, электрокотлов, и, в редких случаях, за счет утилизации тепла дизельного агрегата. Всего на эти цели расходуется около 2,5 млн. тонн жидкого топлива в год. Причем, в северных районах, обладающих жестким климатом, значительная часть ресурсов (до 80%) расходуется на цели теплоснабжения.

Существуют существенные трудности с топливоснабжением отдаленных труднодоступных промышленных объектов и жилых поселков. До 50% топлива затрачивается на его доставку. Одним из перспективных направлений сокращения потребления привозного топлива является использование местных энергоресурсов, в том числе, энергии ветра.

Потенциал ветровой энергии в России составляет 26,7 млрд. т.у.т. в год и большая часть его сконцентрирована как раз в регионах, не охваченных централизованным энергоснабжением.

В настоящее время большинство ветроустановок производят электроэнергию. Существует ряд проблем при использовании ВЭУ на выработку электроэнергии для энергоснабжения автономного потребителя:

• непостоянство скорости ветра приводит к несовпадению режимов производства и потребления энергии. Дефицит восполняется работой резервных установок, таких как ДЭС;

• сложность аккумулирования электрической энергии в промышленных масштабах;

• большие потери энергии ветра при использовании электроэнергии в качестве промежуточного носителя при производстве других промышленных энергоносителей.

Поэтому поиск новых способов рационального использования ветровых ресурсов в системах комплексного энергоснабжения автономных потребителей для снижения расхода дефицитного топлива и вредных выбросов следует отнести к категории приоритетных направлений теплоэнергетики, актуальность которых очевидна.

Целью работы является проведение теоретического исследования для создания энергосберегающих и экологически безопасных энергосистем для снабжения автономного потребителя теплом, электрической энергией, сжатым воздухом, холодом различного потенциала и т.д. на базе ветроустановок с выработкой сжатого воздуха и единой пневмосистемы, объединяющей производителей и потребителей энергии различных типов.

Основные задачи работы

Проведение системного анализа принятой в диссертации идеологии использования энергии ветра требует решения следующих задач:

• проведение анализа существующих конструктивных схем ВЭУ;

• модификация конструкции ВЭУ с целью адаптации ее к условиям эксплуатации в северных районах РФ;

• обоснование использования сжатого воздуха в качестве единого альтернативного энергоносителя для рационального использования энергии ветра в системах теплоэнергоснабжения автономного потребителя;

• определение типов и характеристик воздушных компрессоров и вспомогательного оборудования, использование которых наиболее предпочтительно для совместной работы с ветроколесом в составе ветрокомпрессорной установки (ВКУ);

• получение расчетных соотношений для определения производительности ВКУ по сжатому воздуху и теплу с учетом температуры окружающей среды;

• разработка альтернативных существующим схемных решений по использованию энергии ветра на цели электро-, тепло- и хладоснабжения;

• разработка программного обеспечения для расчета указанных задач;

• сопоставление энергетической эффективности предложенных схемных решений с традиционными способами энергообеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложено использование сжатого воздуха в качестве универсального единого энергоносителя в системах энергоснабжения автономных потребителей;

« введена поправка, учитывающая изменение мощности ВКУ по сжатому воздуху и теплу о г температуры окружающей среды;

• предложены схемные решения для комплексного энергообеспечения автономных потребителей на базе энер! ии ветра:

• разработан метод сопоставления авторских схемных решений для автономного электро- и теплоснабжения на основе удельного расхода топлива, который позволил сравнить энергетическую эффективность предложенных вариантов, как на базе традиционных установок, так и с использованием возобновляемых источников энергии.

Практическая шачимость работы.

Предложена конструктивная схема ветроустановки канального типа (получено Свидетельство на полезную модель), предназначенная для работы в условиях Севера РФ.

Обоснованные в работе предложения и разработанные технические решения:

• позволяют . рационально использовать энергию ветра, добиться

значительного сокращения объемов привозного топлива, и, как следствие, снижения негативного экологического воздействия в системах теплоэнергоснабжечия автономных потребителей;

• служат теоретической базой для дальнейших экспериментальных исследований ветроканальной установки и ветрокомпрессорного агрегата;

• могут использоваться проектными организациями при выборе способов энергоснабжения промышленных предприятий и жилых поселков различными носителями.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Концептуальные основы создания автономных систем комплексного энергоснабжения автономных потребителей различными носителями.

2. Ветроустановка канального типа, ориентированная для работы в жестких климатических условиях, защищенная свидетельством на полезную модель, и метод оценочного расчета ее энергетических характеристик с рядом допущений, требующих последующей экспериментальной проверки.

3. Учет влияния температуры окружающего воздуха на мощность ветрокомпрессорной установки по сжатому воздуху для составления термодинамически корректных эиергобалансов.

4. Концепция использования сжатого воздуха, выработанного ветрокомпрессорной установкой, в качестве универсального энергоносителя, альтернативного электроэнергии.

5. Пакет схемных решений для тепл©энергоснабжения автономного потребителя на базе энергии ветра.

6. Методика корректного выбора энергетически приоритетных решений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на:

VI-X-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ; 20002004), I и II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург; 2001, 2002), Международной научно-практической конференции "Micro-CAD 2001" (Харьков; 2001), I Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (МЭИ; 2002), IV Российской научно-технической конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (Ульяновск, 2003). Научно-практической конференции "Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов Центрального Федерального Округа" (Смоленск, 2003), Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы" (СПб, 2003), четвертой Всероссийской молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (МГУ, 2003), II Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (МЭИ, 2004).

Результаты работы использованы в курсе лекций «Нетрадиционные источники энергии», а также в учебном пособии по этому курсу.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 1 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований и 5 приложений, изложенных на 211 страницах машинописного текста, содержит 60 иллюстраций, 30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. сформулированы цели исследования, защищаемые положения, дано описание структуры диссертации. Раскрыта научная новизна результатов и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен критический обзор выпускаемых ветроагрегатов, предложена конструктивная схема ветроустановки канального типа и методика проведен ее оценочный расчег.

Произведен анализ современных ветроэнергетических установок и проблем, связанных с их использованием. В настоящее время наибольшее распространение получили ветроагрегаты с горизонтальной осью, с диаметрами роторов, превышающими 100 м и развиваемой мощностью до 5 МВт. Также серийно выпускаются ВЭУ с вертикальной осью с диаметром ветроколеса до 30 м и вырабатываемой мощностью до 500 кВт.

К недостаткам ВЭУ открытого типа следует отнести1:

• значительные размеры при ограниченной мощности;

• малые частоты вращения, что требует установки мультипликаторов с высоким передагочным отношением (до 1:91):

• помехи средствам телекоммуникаций;

• акустическое воздействие ВЭУ;

• негативное атмосферное воздействие на ветротурбину (обледенение, порывы ветра, воздействие атмосферного электричества и т.д.).

В настоящее время существует тенденция повышения единичной мощности ветроагрегатов за счет увеличения размеров ветроколеса7. Другое направление увеличения мощности ВЭУ - применение концентраторов ветровой энергии2.

1 Безруких П П и др Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии а

России СПб Наука, 2002 Шефтер Я И Использование экер) ни ветра М Энергоатомизлат, 1988

2 \

\

4

Г

к'

9

Рис. 1. Конструктивная схема ветроустановки канального типа Условные обозначения: 1 - ветротурбина; 2 - конфузорная часть; 3 - рабочая часть; 4 - диффузорная часть; 5 - противообледенительная система; 6 - устройство регулирования проходного сечения ветроканала; 7а - трансмиссия для ветротурбины вертикального типа;

76 - трансмиссия для ветротурбины горизонтального типа; 8 - преобразователь энергии

ветра; 9 - кольцо Тауненда.

Разработана конструктивная схема канальной конфузорно-диффузорной ветроустановки. которая защищена свидетельством на полезную модель3 (рис. 1). Она позволяет увеличить частоту вращения ветроколеса, повысить мощность при сохранении размеров ветротурбины, устранить взаимное негативное воздействие ветроустановки и окружающей среды.

В рабочей части (3) канала установлена ветротурбина (1). Регулирование мощности ветроустановки, частоты ее вращения осуществляется устройством регулирования проходного сечения ветроканала (6). Предусмотрено регулирование проходного сечения ветроканала вплоть до полного его перекрытия. Кольцо Тауненда (9) на ВЭУ канального типа устанавливается для снижения потерь энергии ветра с выходной скоростью, сокращения длины диффузорной части, а также для стабилизации ветроканала по направлению ветра.

Конструкция ветроканала - модульная для удобства транспорта и монтажа.

Разработана методика и соответствующее программное обеспечение для расчета энергетических характеристик ветроканальной установки. В расчете модели ветроканала принимались допущения: профиль скорости невозмущенного ветрового потока равен профилю на входе в ветроканал; массовый расход воздуха постоянен по всей длине ветроканала; относительная скорость воздушного потока на конце лопасти ветроколеса не должна

3 Свидетельство на полезную модель №21425 "Ветроустановка", по заявке №2001124231 с приоритетом СЛ-

ОТ 09 2001

превышать величину 0,8М диамеф ветроколеса принят равнь-м диаметру ветроканала б сечении 2-2; вся ометаемая площадь ветроколеса взаимодействует с потоком воздуха.

Введен коэффициент конфузорности который учитывает сужение канала и увеличение скорости потока в рабочем сечении:

А

Я,

«2 = «О/

где И/ - диаметр входного сечения ветроканала; £>2 - диаметр рабочего сечения ветроканала; и0 - скорость невозмущенного ветрового потока, м/с; «2 -скорость ветрового потока в рабочем сечении, м/с.

Рассчитаны мощностные характеристики ветроустановки канального типа с диаметрами ветротурбины в диапазоне £>^,=2,5 - 4,5 м при коэффициенте

мощности ВЭУ С=0,45 и диапазоне скоростей ветра и0= 0-30 м/с.

На рис. 2 показан в качестве примера один из полученных графиков зависимости мощности ветроустановки канального типа с диаметром ротора ветротурбины 4,5 м при 1,1 - 1,5 от скорости невозмущенного потока ветра. На этот график также нанесена мощностная характеристика ВЭУ открытого типа (й^=4,5 м; С=0,45).

На рис. 3 изображена номограмма для определения эквивалентного диаметра ВЭУ открытого типа при известном диаметре ротора ветротурбины ¡У^ и коэффициенте конфузорности/.

-----— --->

/ ---

1

►—1 10 -»—1,18 136 —Ж—1,43 I—Откр типа

1,50

-3,5

-4,6

Рис. 3. Номограмма сравнения диаметров ветротурбин ВЭУ открытого и канального типов в зависимости от/

Рис. 2. Зависимость мощности ВЭУ канального типа от скорости ветра с учетом ограничения по скорости потока в критическом сечении при различных х В настоящее время большинство ветроустановок, работающих на энергообеспечение автономных объектов, производят электроэнергию. Существует ряд особенностей при использовании ВЭУ на выработку

4 Шлихткь: Г Теория пограничного слов, М Наука, 1У74

электроэнергии'6:

• непостоянство скорости ветра приводит к несовпадению режимов производства и потребления энергии. Дефицит обеспечивается работой резервных установок, например ДЭС;

• сложность аккумулирования электрической энергии в промышленных масштабах;

• большие потери энергии ветра при использовании электроэнергии в качестве промежуточного носителя при производстве других промышленных энергоносителей (например, производство сжатого воздуха по традиционной схеме «ВЭУ-электрогенератор-электросеть-электродвигатель-компрессор» ведет к потерям энергии до 10-15% даже в номинальных режимах).

Во второй главе рассмотрены вопросы совместной работы серийно выпускаемых компрессоров и ветроустановок открытого типа в составе ветрокомпрессорной установки (ВКУ), производства сжатого воздуха и тепла отВКУ.

Проработан вариант непосредственного привода компрессора от ветротурбины с целью получения характеристик ВКУ.

В результате проведенного анализа современного серийно выпускаемого компрессорного оборудования, выявлено, что наиболее подходящими для совместной работы с ветротурбиной являются агрегаты объемного действия, благодаря следующим их достоинствам:

• широкий диапазон рабочих режимов по производительности;

• производительность определяется частотой вращения и не зависит от давления вырабатываемого воздуха;

• отсутствие помпажных зон работы.

Компрессор ВКУ подбирается для совместной работы с ветроустановкой по моментно-частотной характеристике. Диапазон устойчивой работы по мощности ветрокомпрессорной установки 15-100% от номинальной мощности компрессора (Р^Т")1.

Реку =^СрАи}Т1тр =Мсо= С,^1сжа„ш -(А-к), # 1

где Рвку - мощность, развиваемая на ветротурбине, Вт; С - коэффициент мощности ветроколеса; р - плотность воздуха, кг/м3; А = Ю'/4 - ометаемая площадь ветроколеса. м2; О - диаметр ротора ветроколеса открытого типа (или эквивалентный ему), м; и - скорость набегающего ветрового потока, м/с; т]тр -КПД трансмиссии; м -- момент на вату компрессора, Дж; а - частота вращения вала компрессора, 1/с: Уи^К - энтальпии воздуха соответственно ь начале и в конце процесса сжатия. Дж/кг.

3 Твайделл Дж, V эйр У Возобновляемые источники энергии, М Энергоатомиздат, 1990

6 3\5ареи 8 В , Минин В А , Степанов И Р Использование энергии ветра в района* Севера- Состояние, условия эффективности, перспективы Л Наука Леничгр отд-чие 1989 Хисамеев И Г. Винтовые компрессоры Казань, ФЭН, 2000

Производительность ВКУ по сжатому воздуху.

(к-\)Ср^лП2и\ет],

тр

( к 1

Л , кг/с

/

где /? - газовая постоянная для воздуха, Дж/СкгК); У,., - температура окружающей среды, К; р2 - давление компрессора на нагнетании, Па; р,„ -давление на всасывании компрессора, Па; т)м - адиабатный КПД компрессора; к - показатель адиабаты (для воздуха £=1,4).

Производительность ВКУ по сжатому воздуху зависит от совершенства ветроколеса, трансмиссии и компрессора, давления на нагнетании ина всасывании компрессора, от квадрата температуры атмосферного воздуха.

Тепловая мощность ветрокомпрессорной установки:

где ср - теплоемкость воздуха, Дж/(кгК).

Количество тепла, полученного от сжатого воздуха в концевом охладителе, не зависит от давления нагнетания компрессора и определяется параметрами окружающей среды, а также эффективностью трансмиссии и ветроколеса.

Для расчетов производительности по сжатому воздуху и теплу от ветрокомпрессорной установки, приняты следующие допущения: коэффициент мощности ветроколеса (С=0,45), КПД трансмиссии (^=0,95), адиабатный КПД компрессора (^„=0,8) при стандартных атмосферных условиях. Результаты расчетов соответствующих производительностей на 1 м2 ометаемой площади ветроколеса показаны на рис. 4 и 5.

ш2тос

> Вт

о

0 003

♦ ■ ' * К «о

= = ЭТО _

О 5 10 15 20

Скорость ветра, м/с

Скорость ветра, м/с

и

Рис 4 Зависимость удетьной (на 1 м2 ометаемой Рис 5 Зависимость }дельной (на 1 м*

площади ветроколеса^ производительности ВКУ по ометаемой площади ветроколеса)

сжатому воздуху от скорости ветрового потока при производительности ВКУ по теплу от

различных давлениях компрессора па нагнетании скорости ветрового потока

Компрессор в составе ветрокомпрессорной установки в случае аварии (разрыв трубопровода) препятствует раскрутке ротора ветротурбины,

В настоящее время ветроэнергетический потенциал рассчитывается на стандартные атмосферные условия8'9:

р0= 101325,0Па; 7о = 288,15 К.

Районы Крайнего Севера Российской Федерации характеризуется низкими температурами окружающею воздуха (до -80°С). Мощность ьетротурбины прямо пропорциональна плотности и обратно пропорциональна температуре воздуха (Тосу.

Рвэу~Рос\ Рвэ',~УТ0С где p0L - плотность воздуха, кг/м3; Тос - температура окружающей среды, К.

Мощность компрессора:

р -a i

1 кимпр— 1 с жат им

где Gg.ya - производительность компрессора, кг/с; 1сжатия - работа сжатия компрессора, Дж/кг.

Работа компрессора пропорциональна температуре воздуха на всасывании:

I ~ Т

1сжатия 1 ос

В случае работы ветротурбины непосредственно на привод компрессора, мощность по сжатому воздуху составит:

С1/7- 2

в-ха ос

На рис. 6 и 7 показаны результаты расчетов мощности на валу ветротурбины и ветрокомпрессорной установки при введении поправки на Тос

Рис 6 Влияние Тос на мощность ВКУ и Рис. 7. Влияние Тос выработку энергии для

ВЭУ Севера РФ в течение i ода

Условные обозначения' 1 - мощность на валу ветротурбины: 2 - ветрокомпрессорная установка (ВКУ); 3 - расчет по стандартной атмосфере

Согласно техническим характеристикам современных ВЭУ, скорость ветра при которой достигается номинальная мощность, составляет ити =13 м/с при

Е Расчет ресурсов ветровой энергетики. В И Виссарионов, Г В Дерюгина, В А Кузнецова, H К Калинин, Д Э Шванн, Изд-во МЭИ, 1997

9 Минин В А Перспективы применения ветроэнергетических установок для теплоснабжения потребителей Севера //Теплоэнергетика, 2003 Ш

быстроходности 7=5-7. Быстроходность характеризует отношение окружной скорости конца лопасти к скорости набегающего ветрового потока:

2 - У' - -

и и и

где оо - угловая скорость. 1/с; V, - окружная скорость конца лопасти, м/с; пак -частота вращения ветротурбины, 1/с; Я - радиус лопасти ветротурбины, м. Частота вращения ветротурбины, 1/с:

_7м_ "" ~ 21&

При несоответствии частот вращения компрессора и ветротурбины, используется трансмиссия:

- номинальная частота

где N - передаточное отношение трансмиссии; пктпр вращения вала компрессора, 1/с.

Для инженерных расчетов при подборе передаточного числа для трансмиссии ВКУ предлагается следующее соотношение:

дг _ Пюшпр

= 0,08пГ„й

В третьей главе обоснован выбор сжатого воздуха в качестве альтернативного энергоносителя, энергоемкость его производства, параметры и режимы его генерации, использования и аккумулирования.

Основные потребители сжатого воздуха на предприятиях показаны на рис. 8.

компрессор

волновая установке

мини гэс

Две

компрессор

I

компрессор

компрессор

Аккумулятор сжатого воздуха

щ

1

Аэрация воды

Холодильная и криогенная техника

I

Продукты разделения воздуха

СКВ + опреснение соленой воды

Электроэнергия

Пневмопривод

Ожижение природного газа

Пневмо- Пневмо-

автоматика транспорт

Рис 8. Система производства различных энергоносителей с использованием ВКУ

Сжатый воздух - один из самых распространенных энергоносителей на промышленных предприятиях. Его достоинствами являются электро-, пожаро-

и нзрывобезопасиосгь, э ко логичность. высокая энергоемкость, возможность преобразования в другие энергоносители с высоким КПД. получение нескольких энергоносителей одновременно.

Как правило, при использовании ВЭУ бэланс производства и потребления энергии не соблюдается. Одним из способов сглаживания неравномерности этих графиков является пневмоаккумулирование. Аккумулятором в этом случае могут служить стандартные трубы, выполняющие также задачу транспорта сжатого воздуха, подземные полости.

Практика применения аккумуляторов сжатого воздуха имеется в США и Германии, где эксплуатируются воздухоаккумулирующие газотурбинные электростанции1

Единая пневмосистема с аккумулятором сжатого воздуха позволяет объединить различных потребителей и производителей энергии, как на традиционных, так и возобновляемых источниках в пневмокомплекс с производством спектра энергоносителей (рис. 8).

Объем воздушного аккумулятора рассчитывается по известным методикам11'12.

Проведен анализ динамики работы воздушного аккумулятора на различных режимах потребления/производства сжатого воздуха. Расчет проведен при следующих допущениях: сжатый воздух поступает в аккумулятор изотермически и ведет себя как идеальный газ. По результатам расчета построен график изменения давления по времени в зависимости от режимов потребления/генерации сжатого воздуха, который представлен на рис. 9.

G re h/G noip

Рис. 9 Изменение давления при различных режимах потребления и производства сжатого

воздуха при V ^ = 1 м3

10 Fritz Crotogino, Klaus-Uwe Mchmeyer, Dr Roland Scharf Hantort CAES: More thsn 20 Years of Successful Operation Orlando, Florida, USA, 2001

" Степанов О A , Крылов Г В Хранение и распределение газа, 1994

12 Кислород. Справочник под рея Гтизмакенко Д Л M Металлургия, 1967

Для определения емкости аккумулятора необходимы следующие исходные данные: параметры сжатого воздуха и режимы потребления; потенциал энергии ветра; параметры ветрокомпрессорной установки.

ТШП«рЗТур] испари те-ля

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию схем тепло- и электроснабжения автономных потребителей на базе энергии ветра и методике их расчета.

Ветроэнергетические установки в настоящее время, как правило, производят электроэнергию. Вопросы теплоснабжения практически не рассматриваются. В работе2 для целей теплоснабжения предложено

использование электрической энергии от ВЭУ в электрокотельных.

Более эффективным с

энергетической точки зрения решением по сравнению с ветроэлектрокотельной, является использование

ветротеплонасосных (ВЭУ-ТНУ)

агрегатов. В этом случае энергия ветра используется на непосредственный привод компрессора теплового насоса.

Зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования

насосов (р от температур конденсатора и . В качестве источника низкопотенциального

ISO

Рис. 10. Зависимости коэффициентов преобразования идеального (<рид) и реального (р) ТНУ от температур испарения и конденсации

сериино выпускаемых тепловых испарителя приведены на рис. 10'" тепла (НПТ) для ТНУ на практике используются окружающий воздух, тепло грунта, речная или морская вода, оборотная вода, а также низкотемпературные ВЭР промышленных предприятий и т.д.

Схема установки для покрытия нагрузок по тепло- и электроснабжению с применением теплового насоса и прямым механическим приводом от ветроустановки показана на рис. 11.

Используется ветротурбина I с непосредственным приводом компрессора теплового насоса П и генератора III В испарителе IV снимается тепло низкого потенциала. В конденсаторе ТНУ V осуществляется нагрев сетевой воды. Для сглаживания неравномерности потребления и генерации тепловой энергии, в системе предусмотрен котел-аккумулятор VII. Конденсатор и испаритель ТНУ связаны через дроссель VI. В качестве резервного источника тепло- и электроснабжения применяется дизель-электрический агрегат íVIII).

'' hite //www.coyeneration ru/an/heat pump/hp 6 ^html

Татю

СПИВ)-1

ИР

Гаиио*

яИГС

д

Рис. 11 Схема тепло- и электроснабжения на базе ветротеплонасосной установки

В отличие от схемы на рис. 11, где используется парокомпрессионный теплонасосный цикл, разработаны схемные решения для тепло- и электроснабжения автономных потребителей на базе воздушных тепловых насосов. На рис. 12 представлена схема обеспечения потребителя теплом, электроэнергией и холодом различного потенциала.

1еейСЕ.

к

Рис. 12. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветровозл> шной ТНУ

В схеме сжатый воздух производится с помошыо ВКУ (1-Й), Тепло сжатого воздуха утилизируется в концевом охладителе, входящим в состав компрессорной установки. Электроэнергия вырабатывается генератором V за счет расширения сжатого воздуха в детандере IV. При этом производится холод. В качестве резервного источника энергии предлагается использовать дизель-электрический агрегат VI с утилизацией тепла отходящих газов Доводка температуры сетевой воды до заданной величины может

осуществляться с помощью подтопки. В случае недостатка тепла предусмотрен водяной котел-аккумулятор VII

Схема, изображенная на рис. 13, более полно использует энергию ветра

установки.

Источником НПТ в предложенной схеме является тепло сжатого воздуха от ветрокомпрессорной установки. В этом случае повышается температура источника НПТ, увеличивается коэффициент трансформации и снижаются требуемая мощность компрессора теплового насоса, а следовательно, и размеры ветротурбины. Ветрокопрессорная установка (1-П) с системой охлаждения производит сжатый воздух. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздушный аккумулятор III. И далее направляется в воздушный детандер IV, который приводит в действие компрессор теплового насоса VII и электрогенератор V. Детандер, как и в схеме на рис. 12, является источником холода. Применена стандартная схема парокомпрессионной ТНУ с дросселем IX. Для сглаживания неравномерностей графиков потребления и производства тепла схеме предусмотрены воздушный аккумулятор Ш и водяной котел-аккумулятор XI.

Преимуществом этой схемы является использование всего энергетического потенциала сжатого воздуха, как тепловой, так и потенциальной его энергии.

В схемах, изображенных на рис. 11-13 в качестве резервного источника энергии предлагается использовать дизель-генераторный агрегат с утилизацией тепла отходящих газов.

В случаях, когда холод не требуется, а расход воздуха от ВКУ большой, и увеличенная тепловая нагрузка, тепло- и электроснабжение целесообразно осуществлять с помощью бескомпрессорных ГТУ. На рис. 14 представлена схема ветрокомпрессорной установки со свободной газовой турбиной, регенератором тепла отходящих газов и котлом-утилизатором. В качестве резервной в этом случае выступает серийная ГТУ.

Сжатый воздух, полученный от компрессора ВКУ (1-Й), поступает в концевой охладитель, где отдает тепло сетевой воде, и направляется в аккумулятор IV, Далее сжатый воздух подогревается в регенераторе V от тепла отходящих газов после бескомпрессорной турбины VII. Сжатый воздух дополнительно нагревается в камере сгорания VI. Затем горячие дымовые газы направляются в бескомпрессорную газовую турбину VII, где они расширяются и, проходя регенератор V, поступают в котел-утилизатор X. Бескомпрессорная газовая турбина работает на привод генератора VIII. В случае недостаточной мощности на ВКУ для обеспечения требуемой потребителем нагрузки, в работу включается серийная ГТУ IX, со сбросом газов также в котел-утилизатор X с подтопкой ХП1 для доведения температуры сетевой воды до заданной. Несовпадение графиков нагрузки и производства тепловой энергии сглаживается с помощью водяного аккумулятора XII.

Для районов с холодным климатом и увеличенной тепловой по сравнению с электрической нагрузкой, можно исключить из схемы блок регенерации отходящих после ГТУ газов. В этом случае отходящие газы сбрасываются непосредственно в котел-утилизатор.

Для вышеперечисленных схем разработаны методики и программы расчета их топливной эффективности. Сопоставление предложенных схем на базе ВЭУ проводилось по затратам топлива на 1 жителя в год на нужды тепло- и электроснабжения. Значение установленной электрической мощности принимается согласно СНиПм. Расход тепловой энергии на отопление и ГВС коммунально-бытового потребителя определяется по укрупненным показателям согласно'15.

Расчет проводился для районов Крайнего Севера на примере г. Мурманск с минимальной температурой -38°С, продолжительностью отопительного периода 281 сутки'6.

и Нор«« проектирования Электрооборудование жилых и общегтвснны* эданнй, ВСН 59-8? 15 СНиП 2 04 07-86 Тепловые сети

16ВИ.Мачюкидр Наладка и эксплуатация водяны» тепловых сетей. Справочник М Стройиздат ! 988

Произведено сравнение следующих схем: дизель-электрическая установка (ДЭС) и водогрейная котельная (ВК); ДЭС с утилизацией (У ДЭС) и водогрейная котельная; ДЭС и электрокотельная; ветроэлектрическая установка (ВЗУ) и водогрейная котельная с резервной ДЭС; ВЭУ и электрокотельная установка с резервной ДЭС: ветрокомпрессорная установка с бескомпрессорной газовой турбиной (ВКУ-ГТУ) без регенерации тепла отходящих газов; ВКУ-ГТУ с регенерацией тепла отходящих газов; ветрогеплонасосная установка (ВЭУ-ТНУ). Базовым вариантом является совместная работа ДЭС и водогрейной котельной, удельный годовой расход топлива для которого принят за 1. Результаты расчетов расхода топлива для разработанных схем приведены на рис. 15.

Рис 15 Сопоставление различных схем тепло-и электроснабжения на базе ВЭУ. Условные обозначения' ДЭС - дизельная энергоустановка; УДЭС - ДЭС с утилизацией тепла отходящих газов, ВЭУ - ветровая энергоустановка; ВК - водогрейный котел; Эл.К -электрокотел; ТНУ - теплонаеосная установка; ГТУ - газотурбинная установка; per -регенерация тепла отходящих газов Использование схем на базе ветрокомпрессорных энергоустановок с бескомпрессорными ГТУ как с регенерацией тепла отходящих газов, так и без нее, позволяет снизить потребление топлива по сравнению с базовым вариантом почти в 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведен учет влияния температуры окружающей среды на мощность ветроустановок. В отличие от ветроэлектрических агрегатов, введение такой поправки необходимо для корректной оценки термодинамической эффективности ВКУ. Определено, что с понижением toc до -50°С для ветрокомпрессорной установки производительность по сжатому воздуху увеличивается на 70% по сравнению с общепринятым расчетом по стандартной атмосфере.

2. Разработана конструктивная схема канальной ветроэнергетической

установки (защищенная Свидетельством на полезную модель), предназначенная для работы в условиях Крайнего Севера.

3. Разработан метод оценочного расчета энергетических характеристик аетроагрегата канального типа для сопоставления с агрегатами открытого типа на основе классических уравнений гидрогазодинамики с рядом допущений, справедливость которых требует последующей экспериментальной проверки

4. Предложено использование сжатого воздуха в качестве единого носителя для комплексного снабжения потребителя теплом, электроэнергией, сжатым воздухом, холодом различного потенциала и т.д Пневмосистема объединяет различные генерирующие источники как традиционного, так и нетрадиционного типа. С помощью единой пневмосети, сжатый воздух транспортируется различным потребителям, выполняя при этом и функцию аккумулятора.

5. В результате проведенного анализа серийно выпускаемых компрессоров, определено, что для совместной работы в составе ветрокомпрессорной установки целесообразно использовать агрегаты объемного действия. Получены соотношения для расчета производительности ветрокомпрессорных установок по теплу и сжатому воздуху с учетом влияния температуры окружающей среды.

6. Предложены новые схемные решения по использованию энергии ветра на цели тепло- и электроснабжения на основе ветрокомпрессорной установки, ветротептонасосной установки, ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной ГТУ, комбинации ветрокомпрессорной и теплонасосной установок и программное обеспечение для расчета их энергетических характеристик. Они позволяют более полно использовать энергию ветра и существенно снизить потребление привозного топлива и экологическое воздействие на природную среду при его использовании, хранении и доставке.

7. Для корректного выбора энергетически приоритетных решений, использован критерий удельного расхода топлива в год на 1 жителя на нужды тепло- и электроснабжения. За основу для сравнения была принята схема с ДГУ и водогрейной котельной. Установлено, что использование ветрокомпрессорных энергоустановок с бескомпрессорными ГТУ как с регенерацией тепла отходящих газов, так и без нее в условиях г. Мурманск позволяет снизить потребление топлива в 2 раза по сравнению с базовым вариантом.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Проблемы производства сжатого воздуха с помощью ветроустановок // Журнал «Промышленная энергетика», №4, 2001.-С. 40-42.

2. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов, В.И. Федорченко Производство сжатого воздуха с помощью ветроэнергетических установок // Micro-CAD 2001: Сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф, - Харьков, 2001. - С. 48-50.

3. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Использование нетрадиционных источников энергии для выработки сжатого воздуха // Сборник

р-3778

материалов Всероссийской студенческой oju 2006~4

практической конференции и выставки студентов, ас

ученых 3 -7 декабря 2001 г. - Екатеринбург, 2001. - С. 6089

4. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Комплекс нетрадиционных источников энергии // "Энергосбережение - теория и практика": Сб. докл. 1 Всеросс. школы-семинара молодых ученых и специалистов - М : МЭИ, 2002. - С. 150-153.

5. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Комплексное использование нетрадиционных источников энергии в промышленной энергетике // "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности": Сб. докл. IV Росс, науч.-техн. конф. - Ульяновск, 2003. -С. 299-300.

6. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Комплексный подход к энергообеспечению с помощью нетрадиционных источников энергии // Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов Центрального Федерального Округа: Сб. докл. науч -практ. конф. 17-19 сентября 2003 г. - Смоленск, 2003. - С. 55-58.

7. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов, Г.И. Абрамов Рациональное использование энергии ветра в промышленной энергетике // Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы: Сб. докл. Междунар. конф. 4-6 ноября 2003 г. - СПб, 2003. - С. 418-424.

8. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Использование энергии ветра для комплексного энергообеспечения II Возобновляемые источники энергии -Сб. докл. IV Всеросс. молодежной школы 2-4 декабря 2003 г. - М.: МГУ, 2003.-С. 59-63.

9. Кухарцев В. В., Спиридонов А. Г. Использование ветроэнергетических установок в промышленной энергетике горных предприятий // «Горный журнал», Специальный выпуск. - М., 2004. - С. 106-107.

10.В.П. Мотулевич, А.Г. Спиридонов, В.В. Кухарцев Системы тепло- и электроснабжения автономных потребителей с использованием энергии ветра // II Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика": Сб. докл. - М.: МЭИ, 2004. -С. 271-274.

1!.Свидетельство на полезную модель №21425 "Ветроустановка", по заявке №2001124231 с приоритетом от 07.09.2001.

Подписано в печать !0t С Ь< Ob Зак. 19 Тир. №0 п.л. (¿Ó Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1. Ветроэнергетические установки.

1.1 Расчет потенциала энергии ветра.

1.2 Обзор современных ветроустановок и их характеристик.

1.3 Влияние ветроустановок на окружающую среду.

1.4 Типы ветроустановок.

1.4.1 Ветроустановки с горизонтальной осью вращения.

1.4.2 Ветроустановки с вертикальной осью вращения.

1.5. Концентраторы ветрового потока.

1.5.1. Типы концентраторов.

1.5.2 ВЭУ канального типа.

1.5.3 Методика расчета ветровой установки канального типа.

1.6 Использование энергии ветра.

1.6.1 Производство электрической энергии.

1.6.2 Производство различных энергоносителей на базе ВЭУ.

1.6.3 Сжатие воздуха.

1.7. Выводы по главе 1.

Глава 2. Использование сжатого воздуха как альтернативного энергоносителя в промышленной энергетике.

2.1 Сферы применения сжатого воздуха.

2.2. Потребители сжатого воздуха.

2.3. Классы загрязненности сжатого воздуха.

2.4. Устройства очистки воздуха.

2.5. Способы осушки воздуха.

2.6. Энергетические показатели работы компрессорных установок.

2.7. Охлаждение воздуха и утилизация тепла.

2.8. Сравнение вариантов производства сжатого воздуха по традиционной схеме и с непосредственным приводом компрессора от ветроустановки.

2.9. Выбор компрессора для совместной работы с ветроустановкой.

2.10. Совместная работа компрессора и ветроустановки.

2.11. Выводы по главе 2.

Глава 3. Аккумулирование энергии ветра.

3.1. Потребление и производство сжатого воздуха.

3.2. Типы энергоаккумулирующих систем.

3.3. Расчет емкости аккумулятора сжатого воздуха.

3.4. Работа воздушного аккумулятора в зависимости от режимов потребления/генерации энергии.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Использование энергии ветра для целей теплоснабжения автономных потребителей.

4.1. Потребление тепловой и электрической энергии на коммунально-бытовые нужды в северных регионах России.

4.2. Современные схемы систем тепло- и электроснабжения на традиционном топливе.

4.2.1. Электроснабжение от дизель-генератора и теплоснабжение от водогрейной котельной.

4.2.2. Обеспечение электроэнергией от дизель-генератора и теплом от электрокотельной.

4.2.3. Электроснабжение от дизель-генератора, теплоснабжение от утилизатора тепла ДЭС и пиковой водогрейной котельной.

4.3. Схемы тепло- и электроснабжения на базе энергии ветра.

4.3.1. Схема теплоснабжения потребителя на базе ветроэлектрической установки с использованием электрокотельной.

4.3.2. Схема системы электро- и теплоснабжения с использованием ветроэлектрической установки с водогрейной котельной.

4.3.3. Система тепло- и электроснабжения на базе ветроэлектрической установки и электрокотельной.

4.3.4. Схема системы электро- и теплоснабжения автономного потребителя с использованием ветротеплонасосной энергоустановки.

4.3.5. Экономическая оценка систем тепло- и электроснабжения автономного потребителя с помощью ветротеплонасосной и ветроэлектрической установок.

4.3.5.1. Капитальные затраты.

4.3.5.2. Затраты на топливо.

4.3.5.3. Затраты на ремонтное обслуживание.

4.3.5.4. Амортизация.

4.3.5.5. Сравнение вариантов тепло- и электроснабжения.

4.3.6. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки.

4.3.7. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветро-воздушной теплонасосной установки с использованием парокомпрессионного теплонасосного цикла.

4.3.8. Схема тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной.

4.4. Сопоставление различных схем тепло- и электроснабжения на базе традиционного топлива и энергии ветра.

4.5. Выводы по главе 4.

В настоящее время более чем 70% территории России с населением около 22 млн. человек не охвачены системой централизованного энергоснабжения. Это небольшие поселки, малые города, удаленные друг от друга на значительные расстояния, появление которых вызвано освоением месторождений полезных ископаемых. Значительная часть этих территорий находится на севере Российской Федерации. Плотность населения европейского Севера составляет 3,5 чел./км [1].

Северные районы РФ характеризуются:

• суровыми природно-климатическими условиями;

• удаленностью от развитых центральных районов;

• слабым развитием дорожно-транспортной сети.

На севере, зимний период длится 7-9 месяцев, а отопительный период - до года [2]. Среднегодовые температуры достигают значений tcHp=- 13,4°С (г. Тикси) [3], расчетная температура для отопления - t^Z =-60°С (г. Оймякон), минимальная температура воздуха доходит до -71°С (г. Оймякон). При этом до 70.80 % топлива приходится на долю теплоснабжения [4]. Для значительной части территории характерны сильные ветры, которые затрудняют работу на открытом воздухе и увеличивают тепловые потери зданий.

Ввиду значительной удаленности и разобщенности, а также малых значений потребляемых мощностей, присоединение изолированных населенных пунктов к единой энергосистеме - нецелесообразно [5]. Решить проблемы энергетики северных регионов только за счет крупного энергостроительства невозможно ни в ближайшей, ни в отдаленной перспективе [6].

Электроснабжение большинства автономных потребителей осуществляется от дизельных энергоустановок (ДЭС), мощностью от 100 кВт до 3,5 МВт, а теплоснабжение - от водогрейных котельных или электрокотлов.

В зоне Российского Севера эксплуатируются более 12 тысяч ДЭС и почти такое же количество мелких котельных, большинство которых работают на привозном топливе [7].

Способы доставки топлива мелким изолированным потребителям зависят от их специализации, удаленности от ближайших пунктов топливоснабжения, состояния дорожно-транспортной сети. Для доставки топлива используется водный (морской и речной), автомобильный транспорт. Доставка топлива водным транспортом в северные регионы России возможна только в период летней навигации, автотранспортом - в зимнее время года по временным дорогам - зимникам.

Одним из перспективных направлений сокращения потребления привозного топлива и решения экологических проблем является использование возобновляемых источников энергии. Экономический потенциал всех возобновляемых источников энергии в мире в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива [8].

В северных регионах России использование возобновляемых источников энергии затруднено особенностями природно-климатических условий:

• использование солнечной энергетики возможно лишь в летние месяцы;

• реализация проектов по малой гидроэнергетике ограничивается сезонным ледоставом на реках;

• использование геотермальной энергии затруднено вечной мерзлотой и сложными геологическими условиями.

Поэтому освоение ветровой энергии является целесообразным и обоснованным.

Северные районы России, в которых находится большинство объектов автономного энергоснабжения располагают значительными ресурсами ветровой энергии. Так, вдоль берегов Северного Ледовитого океана, на протяжении более 12 тыс. км, господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с, а в мировой практике принято считать, что использование ветроустановок перспективно при среднегодовой скорости ветра более 5 м/с [9]. Суммарная мощность ветроресурсов северных районов достигает 45 млрд. кВт.

В настоящее время наибольшее распространение получили ветроагрегаты с горизонтальной осью пропеллерного типа в диапазоне мощностей от 10 кВт до 5 МВт с диаметрами роторов до 120 м. Серийно выпускаются и ветроустановки с вертикальной осью с диаметром ветроколеса до 30 м и вырабатываемой мощностью до 500 кВт. Большинство ветроустановок подключены к крупным энергосистемам.

В настоящее время существует тенденция повышения мощности ветроагрегатов за счет увеличения размеров ветро колеса. Другое направление -применение концентраторов ветровой энергии.

На рис. 1 показана динамика роста установленной мощности ветроагрегатов в мире [10].

9QOO м 8Ш

7QQ0

§ еоое 5000

400С Z 3GG0

ZOOOг

-43.000 40.ООО 35.000 30.000 -25.000 -20,000 -15.000 10,000 50&0 0

О' I О

1933

1990

1995

2000 ?0D3

Год усгаювлеиэт ноцюстк, мы/год — ОСЩЭ1 ющюсть, МВт

Рис. 1. Установленная мощность ВЭУ в мире к 2004 году [6]

Общее состояние развития ветроэнергетики в различных странах мира за последние 17 лет — с 1985 по 2002 годы представлено в табл. 1 [11]. За этот период суммарная установленная мощность ВЭУ возросла с 1097 МВт до 31128 МВт.

Табл. 1.

Установленная мощность ВЭУ, подключенных к электрическим сетям, в странах мира

Страны Годы

1985 1990 1995 1998 1999 2000 2001 2002

Дания 50 310 630 1380 1771 2300 2489 2880

Германия 3 60 1137 2875 4443 6113 8754 12001

Греция — 2 28 39 82 189 272 276

Италия — 4 23 178 283 427 682 785

Нидерланды — 49 255 361 441 446 486 688

Испания — 9 126 834 1542 2235 3337 4830

Швеция 5 5 67 174 215 231 293 328

Великобритания — 6 193 333 344 406 474 552

Финляндия — — 6,4 17,4 38 38 39 41

Ирландия — — 7 73 73 118 124 137

Португалия — 2 8 60 60 100 131 194

Россия — — — 4,15 4,35 5 7 7

Европа, всего* — — — — — 12822 17088 22719

Канада — 3 21 82 125 137 198 238

Коста-Рика — — 10 26 46 51 51 51

США 1039 1525 1770 1820 2464 2494 4275 4685

Китай — — 10 214 261 316 400 468

Индия — 20 550 992 1035 1214 1507 1702

Япония — 1 10 40 68 125 275 415

Всего в мире 1097 2002 4905 9665 13520 18449 23794 30278

Примечания:

• В строках «всего» учтены ВЭУ стран, не указанных в таблице, суммарная установленная мощность которых на 1996 год составляла менее 10 МВт.

• В столбцах за 2001 и 2002 годы не учтены ВЭУ стран, не показанных в таблице, суммарная установленная мощность которых в конце 2001 года составила 596 МВт, а в конце 2002 года — 850 МВт. Таким образом, установленная мощность ветротурбин в мире в конце 2001 года составила 24390 МВт, а в конце 2002 года — 31128 МВт.

В 1999 году Мировая ветроэнергетическая ассоциация приняла программу развития ветроэнергетики "Wind Force 10", целью которой является достижение 10%-й доли ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии к 2020 году (табл. 2) [11] при увеличении годового производства электроэнергии в мире в два раза, а к 2040 - 20%.

В настоящее время большинство ветроустановок производят электроэнергию. Существует ряд особенностей при использовании ВЭУ на выработку электроэнергии для энергоснабжения автономного потребителя:

• непостоянство скорости ветра приводит к несовпадению режимов производства и потребления энергии. Дефицит восполняется работой резервных установок, таких как дизель-генераторная установка (ДГУ);

• сложность аккумулирования электрической энергии в промышленных масштабах;

• большие потери энергии ветра при использовании электроэнергии в качестве промежуточного носителя при производстве других промышленных энергоносителей (например, производство сжатого воздуха по традиционной схеме «ВЭУ-электрогенератор-электросеть-электродвигатель-компрессор» ведет к потерям энергии до 10-15%).

Наряду с электроснабжением, актуальной проблемой является обеспечение потребителя тепловой энергией. В работе [4] на эти цели предложено использование электрической энергии, выработанной ветроустановкой. Применение такой схемы позволяет снизить требования к качеству электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, позволяя, упростить, удешевить ветроагрегат и повысить его надежность. Однако, использование энергии высокого качества (электрической, механической) для производства тепла энергетически неэффективно.

Другим распространенным энергоносителем является сжатый воздух. Это экологичный, пожаро-, электро- и взрывобезопасный энергоноситель высокого качества. С помощью сжатого воздуха, с высоким КПД можно получать холод (вплоть до криоуровня), тепло, электроэнергию, выполнять механическую работу.

Производство сжатого воздуха - энергоемко и на промышленном предприятии на его получение затрачивается до 30% общего энергопотребления.

Сжатый воздух - удобный энергоноситель для интегрирования различных потребителей и производителей энергии (как на традиционных, так и возобновляемых источниках) в пневмокомплекс с единым аккумулятором и производством спектра энергоносителей.

Целью работы является проведение комплексного исследования для создания энергетически независимой системы централизованного энергоснабжения автономных потребителей за счет энергии ветра. Для ее достижения в работе были поставлены следующие задачи:

• Проведение анализа различных методов расчета ветропотенциала. Исследование влияния температуры окружающей среды на мощность ветроустановки.

• Проведение анализа основных показателей современных ветроэнергетических установок и проблем, связанных с их работой.

• Разработка конструктивной схемы и методики расчета энергетических показателей ветроустановки с целью увеличения мощности ветроколеса, решения экологических проблем и защиты ветроагрегата от негативного воздействия окружающей среды.

• Исследование проблем применения сжатого воздуха в качестве альтернативного энергоносителя при использовании ветроустановок. Определение типов и характеристик воздушных компрессоров при непосредственном приводе их от ветротурбин и соответствующего вспомогательного оборудования. Получение расчетных соотношений для определения производительности ветрокомпрессорной установки (ВКУ) по сжатому воздуху и теплу.

• Проведение анализа методик расчетов воздушного аккумулятора.

• Разработка схемных решений по использованию энергии ветра на цели тепло- и электроснабжения, методик и соответствующего программного обеспечения для расчета их энергетических показателей.

• Разработка методики сопоставления энергетической эффективности схем тепло- и электроснабжения автономного потребителя.

Обоснованные в работе предложения и разработанные технические решения позволяют добиться эффективного использования энергии ветра в системах теплоэнергоснабжения автономных потребителей. Результаты работы могут использоваться проектными организациями при выборе способов энергоснабжения промышленных предприятий и жилых поселков.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований и 5 приложений, изложенных на 213 страницах машинописного текста, содержит 60 иллюстраций, 30 таблиц.

Выводы по диссертации

1. Произведен учет влияния температуры окружающей среды на мощность ветроустановок. В отличие от ветроэлектрических агрегатов, введение такой поправки необходимо для корректной оценки термодинамической эффективности ВКУ. Определено, что с понижением toc до -50°С для ветрокомпрессорной установки производительность по сжатому воздуху увеличивается на 70% по сравнению с общепринятым расчетом по стандартной атмосфере.

2. Разработана конструктивная схема канальной ветроэнергетической установки, предназначенная для работы в условиях Крайнего Севера.

3. Разработан метод оценочного расчета энергетических характеристик ветроагрегата канального типа для сопоставления с агрегатами открытого типа на основе классических уравнений гидрогазодинамики с рядом допущений, справедливость которых требует последующей экспериментальной проверки.

4. Впервые предложено использование сжатого воздуха в качестве единого носителя для комплексного снабжения потребителя теплом, электроэнергией, сжатым воздухом, холодом различного потенциала и т.д. Пневмосистема объединяет различные генерирующие источники как традиционного, так и нетрадиционного типа. С помощью единой пневмосети, сжатый воздух транспортируется различным потребителям, выполняя при этом и функцию аккумулятора.

5. В результате проведенного анализа серийно выпускаемых компрессоров, определено, что для совместной работы в составе ветрокомпрессорной установки целесообразно использовать агрегаты объемного действия. Впервые получены соотношения для расчета производительности ветрокомпрессорных установок по теплу и сжатому воздуху с учетом влияния температуры окружающей среды.

6. Предложены новые схемные решения по использованию энергии ветра на цели тепло- и электроснабжения на основе ветрокомпрессорной установки, ветротеплонасосной установки, ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной ГТУ, комбинации ветрокомпрессорной и теплонасосной установок и программное обеспечение для расчета их энергетических характеристик. Они позволяют более полно использовать энергию ветра и существенно снизить потребление привозного топлива и экологическое воздействие на природную среду при его использовании, хранении и доставке.

7. Для корректного выбора энергетически приоритетных решений, использован критерий удельного расхода топлива в год на 1 жителя на нужды тепло- и электроснабжения. За основу для сравнения была принята схема с ДГУ и водогрейной котельной. Установлено, что использование ветрокомпрессорных энергоустановок с бескомпрессорными ГТУ как с регенерацией тепла отходящих газов, так и без нее в условиях г. Мурманск позволяет снизить потребление топлива в 2 раза по сравнению с базовым вариантом.

1. Народное хозяйство РСФСР в 1985 г.: Статистический ежегодник / ЦСУ СССР. М.: Финансы и статистика, 1986. 398 с.

2. В.И.Манюк и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. М.: Стройиздат, 1988

3. СНиП23-01-99. Строительная климатология. М.: 2000

4. Минин В.А. Перспективы применения ветроэнергетических установок для теплоснабжения потребителей Севера, М.: //Теплоэнергетика. 2003. -№1

5. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Д.: Наука, 1989.

6. Голубчиков С. Энергетика Севера: проблемы и пути их решения // «Энергия» 2002, N 11. С. 35-39.

7. Мастепанов А.М., Саенко В.В., Рыльский В.А., Шафраник Ю.К. Экономика и энергетика регионов Российской Федерации. М., Экономика, 2001,480 стр.

8. Безруких П.П. Нетрадиционная возобновляемая энергетика взгляд в будущее (http://www.mte.gov.ru/ntp/energo/energo.htm)

9. Основы современной энергетики: современная электроэнергетика. В 2 ч. М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 453 с.

10. Renewable Energy World July—August 2004, Volume 7, Number 4

11. Безруких П.П. Экономика и возможные масштабы развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Докл. на открытом семинаре "Экономические проблемы энергетического комплекса". М.: Изд-во ИНП, 2002. С. 28—35,47-^8.

12. Дробышев А.Д. Климатические параметры ветра для задач ветроэнергетики, Автореферат дисс. . докт. геогр. наук, Главная геофизическая лаборатория им. А.И. Воейкова, СПб, 1996

13. Расчет ресурсов ветровой энергетики. В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А.Кузнецова, Н.К. Малинин, Д.Э. Шванн, Изд-во МЭИ, 199714.http://www.wind-energy.hut.ru/tech char.html

14. Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития, М.: Изд-во МЭИ, 1996

15. Твайделл Дж., Уэйр У. Возобновляемые источники энергии, М.: Энергоатомиздат, 1990

16. Научно-прикладной Справочник по Климату СССР. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 24. Якутская АССР Книга 1, М.: Наука, 1989

17. Ветроэнергетика, под ред. Д.Рензо, М.: Энергоатомиздат, 1980

18. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра, М.: Энергоатомиздат, 1988

19. Сабинин Г.Х. Теория и аэродинамический расчет ветряных двигателей. М.; JL: ОГИЗ, Гос. Науч.-техн. изд-во, 1931

20. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозгиз, 1957

21. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Под общ. ред. Безруких П.П. СПб.: Наука, 2002.

22. Абрамовский Аэродинамика ветродвигателей, Днепропетровск, 1989

23. Баклушин П.Г., Вашкевич К.П., Самсонов В.В. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик ортогональных крыльчатых ветроколес // Труды НИИ Гидропроект, 1989

24. Кухарцев B.B., Спиридонов А.Г., Говорухин JI.H. Свидетельство на полезную модель №21425 "Ветроустановка", по заявке №2001124231 с приоритетом от 07.09.2001

25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа, М.: Наука, 1973

26. Шлихтииг Г. Теория пограничного слоя, М.: Наука, 1974

27. Черный Г.Г. Газовая динамика, М.: Наука, 198434.http://www.electrosfera.com

28. Джалилов Р.А. Режимы параллельной работы ветроэнергетических и дизельных агрегатов и мероприятия по их обепечению Автореферат дисс. . канд. техн. наук, 1991

29. Аидреев В., Борисов В., Климов В., Малышев В., Орлов В. Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации. Московский рабочий, М.: 2001

30. Кухарцев В.В., Спиридонов А.Г., Федорчеико В.И. Производство сжатого воздуха с помощью ветроэнергетических установок // Сборник докладов международной научно-практической конференции Micro-CAD, Харьков, 2001

31. Борисов Б.Г., Калинин Н.В., Михайлов В.А. Системы воздухоснабжения промышленных предприятий, М.: Изд-во МЭИ, 1989

32. Кузнецов Ю.В., Кузнецов М.Ю. Сжатый воздух, Екатеринбург, 2003

33. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Под ред. Е.В.Герц, М.: Машиностроение, 1981

34. ГОСТ 17433—80 Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненности

35. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины М.: Энергоатомиздат, 1989

36. Системы охлаждения компрессоров Л.: Машиностроение, 1984

37. Б.В. Сазанов, В.И. Ситас Теплоэнергетические системы промышленных предприятий М.: Энергоатомиздат, 1986

38. Стационарные газотурбинные установки / JI.B. Арсентьев и др. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. - 543 с.46.http://www.kaeser.ru/

39. Хисамеев И.Г. Винтовые компрессоры, Казань, ФЭН, 2000

40. Сакун И.А. Винтовые компрессоры, Л.: Машиностроение, 1970

41. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети М.: Изд-во МЭИ, 199950.http.y/www.neg-micon.com51 .http://www.dewind.de52.http://www.milwaukeegear.com/5 3. http://www. greaveslimited.com/

42. Тверской А.К. "Системы производства и распределения технологических газов на промышленном предприятии", 199255.http://www.gismeteo.ru

43. Бережковский М.И. Газгольдеры, М.: Недра, 1985

44. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Проблемы производства сжатого воздуха с помощью ветроустановок // Журнал «Промышленная энергетика», №4, 2001. С. 40-42.

45. В.В. Кухарцев, А.Г. Спиридонов Комплексное использование нетрадиционных источников энергии // "Энергосбережение теория и практика": Сб. докл. 1 Всеросс. школы-семинара молодых ученых и специалистов - М.: МЭИ, 2002. - С. 150-153.

46. Fritz Crotogino, Klaus-Uwe Mohmeyer, Dr. Roland Scharf Huntorf CAES: More than 20 Years of Successful Operation, Orlando, Florida, USA, 2001

47. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки, М.: Энергоатомиздат, 1985

48. Бобровский С.А. и др. Газораспределительные станции и газохранилища, М.: Недра, 1977

49. Кислород. Справочник под ред. Глизманенко Д.Л. М.: Металлургия, 1967

50. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети, М.: МЭИ, 2001

51. ВСН 59-88 Электрооборудование жилых и общественных зданий. Нормы проектирования. Госкомархитектуры. Государственный комитет по архитектуре и градостроительству при Госстрое СССР. М.: 1990

52. Электростанции и электроагрегаты, рекомендованные к применению на объектах ОАО "ГАЗПРОМ". Каталог. М.: 1999 г.67.http://www.vdm-plant.ru/aktualnost.htm

53. Когенераторные технологии: рынок оборудования // Аква-терм, №3, 2002 69.Энергетическое оборудование для использования нетрадиционныхз ивозобновляемых источников энергии под ред. В.И. Виссарионова, М.: ВИЭН 2004

54. Минин В.А., Дмитриев Г.С., Минин И.В. Перспективы освоения ресурсов ветровой энергии Кольского полуострова / Изв. РАН. Энергетика. 2001. № 1. С. 45—53.

55. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы развития ветроэнергетики на Кольском полуострове. Апатиты, 1998.

56. Электротехнический справочник. Т. 2 / Под общ. Ред. П.Г. Грудинского, Г.Н. Петрова, М.М. Соколова и др. 5-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1975. 752 с. 73.Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы М.: Энергоиздат, 1982

57. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоатомиздат, 1981, 322 с.75 .http://www.cogeneration.ru/art/heat pump/hp 6.shtml76.http://www.oblgas.ru/

58. Прайс-лист на климатическое оборудование фирмы «Глобал-Комфорт», 2004

59. Елистратов В.В., Безруких П. П., и др. Проект строительства демонстрационной ВЭС мощностью 3 МВт на о. Котлин, г. Кронштадт // http://www.transgasindustry.com/

60. Программа развития малой энергетики Республики Саха (Якутия) на 2001-2005 гг.

61. Постановление Правительства РФ от 01 января 2002г. № 1 (в ред. постановления Правительства РФ от 09.07.2003 № 415)

62. Кухарцев В. В., Спиридонов А. Г. Использование ветроэнергетических установок в промышленной энергетике горных предприятий // Горный журнал, М.; 2004