Тема: ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ВЕТРОУСТАНОВКИ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА

Актуальность предмета исследования. В современных условиях традиционная энергетика, основанная на углеводородах, сталкивается с большим количеством проблем и противоречий. Эти противоречия с каждым годом нарастают и в конечном счете могут привести к ее кризису, если не предпринять попытки к развитию энергетики альтернативной.
Один из вариантов решения назревших проблем - изменение баланса генерации электроэнергии в сторону расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Последние десять лет в мировом научном сообществе идут острые дискуссии о путях развития современной энергетики. Консервативная его часть считает, что углеводородная энергетика, основанная на использовании угля, нефти и газа, еще долгое время будет оставаться основным источником тепловой и электрической энергии для экономически развитых стран. У этой точки зрения есть основания. Запасы углеводородов на Земле еще достаточно велики. Углеводородная индустрия имеет отлаженную инфраструктуру: в наличии предприятия по производству необходимого оборудования, предприятия по строительству и обслуживанию энергетических объектов, научные исследования по повышению эффективности выработки электроэнергии этим способом.
Но при отмеченных преимуществах традиционная энергетика, основанная на углеводородах, сталкивается с большим количеством проблем и противоречий. Эти противоречия с каждым годом нарастают и, в конечном счете, могут привести к кризису традиционной энергетики, если не предпринять попытки к развитию энергетики альтернативной.
Одна из причин - удорожание добычи углеводородов. Рентабельные нефть, газ и уголь уже использованы. Добычу ископаемых приходится вести на больших глубинах под поверхностью земли, на дне океана, осваивать труднодоступные северные регионы. В конце концов, это может оказаться экономически невыгодным.
13.04.02.2021.39.00.00 ПЗ ВКР Лист
6
Изм Лист № докум. Подпись Дата
Вторая очень важная причина - экологические проблемы. Природа миллионы лет стремилась уравновесить содержание углекислого газа в атмосфере. Углеводородная энергетика нарушает это равновесие, и последствия такого нарушения человечество еще до конца не оценило. Кризис может коснуться не только изменения климата, но и живой природы, а на заключительном этапе проблемы возникнут в человеческом обществе.
Кроме того, очень мало говорят о низкой эффективности традиционной энергетики. Наивысший коэффициент полезного действия (КПД) тепловых станций составляет около 30 %, а доля их в балансе мировой энергетики - по разным оценкам, от 60 до 70 %. Данные цифры свидетельствуют о том, что традиционная энергетика способствует не только нагреванию планеты, но загрязнению ее выбросами производства. Этот процесс не может длиться долгое время. Один из вариантов решения назревших проблем - изменение баланса генерации электроэнергии в сторону расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ)
В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в общем балансе энергогенерации развитых стран постоянно растет, при этом энергия ветра является одним из наиболее доступных источников возобновляемой энергии. По данным Global Wind Energy Council, на конец 2019 года объем установленных мощностей ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире составил 651 ГВт. Наибольшая доля приходится на Азию (44,8 %), Европу (31,4 %) и Северную Америку (26 %). За последние два десятилетия мировой объем вырабатываемой ветроэнергетическими установками электроэнергии вырос почти в 30 раз, а объем установленных мощностей ВЭУ - почти в 40 раз.
История ветроэнергетики в России берет свое начало в первой половине ХХ века: Центральный аэрогидродинамический институт им. Профессора Н.Е. Жуковского разрабатывал ветроэлектрические станции для обеспечения сельских хозяйств. Мощность таких станций варьировалась от 2.2 кВт до 33 кВт, что позволяло освещать 50-300 дворов и приводить в действие мельницу [1].
В 1931 году вошла в строй самая мощная в мире на тот момент ветроэлектростанция мощностью 100 кВт в городе Балаклава, которая была разрушена в ходе боев во время Великой Отечественной войны в 1941 году [2].
В 1930-60-х гг. СССР становится мировым лидером ветроэнергетики, одним из крупнейших производителей ВЭУ с суммарной установленной мощностью более 100 МВт (конец 1950-х гг.). В 1958 году в районе г.Акмолинска введена в эксплуатацию первая в мире многоагрегатная ВЭС-400 (на базе 12 агрегатов Д-18), позволившая получить ценный опыт организации совместной работы нескольких ВЭУ. Однако дальнейшее развитие ветроэнергетики было практически остановлено из-за взятого в конце 1960-х гг. курса на создание Единой энергетической системы страны на базе мощных гидро- и атомных электростанций.
В развитии мировой ветроэнергетики решающую роль сыграл энергетический кризис 1973-74-х гг., после которого индустриально развитые страны активизировали исследовательские и конструкторские работы, что привело к организации в 1980-х гг. крупного серийного производства ветроэнергетической техники.
Научные исследования в области ветроэнергетики в России возродились в 1990-х гг. в связи с ростом цен на энергоносители. К наиболее значимым разработкам относятся установки АВЭ-250 мощностью 200 кВт (НПО «ВЕТРОЭН» совместно с НПО «Южное», Украина) и ВЭУ Р-1000 мощностью 1 000 кВт (МКБ «Радуга»). На базе шести установок АВЭ-250 построена Воркутинская ВЭС (1993 г.). ВЭУ Р-1000 поставлена в качестве первого агрегата Калмыцкой ВЭС близ г. Элисты в 1994 году. В режиме опытной эксплуатации на Чукотском полуострове находится Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт из 10 модернизированных АВЭ-250М. Кроме того, созданы и работают такие станции, как Куликовская ВЭС (мощность 5,1 МВт), ВЭС на острове Беринга (0,5 МВт), Башкирская ВЭС (2,2 МВт), Саратовская ВЭС (0,3 МВт).
Наиболее значимый научный вклад в развитие ветроэнергетических установок в целом и отдельных ее компонентов внесли следующие научные учреждения:
• Ивановский государственный энергетический университет: ученые Н. Н. Новиков, Е. Б. Герасимов, Ю. Б. Казаков, А. И. Тихонов занимались развитием методов оптимального проектирования электрических машин и развитием методов анализа магнитных и тепловых полей, разработкой систем автоматизированного проектирования (САПР) электрических машин;
• Липецкий государственный технический университет: ученые В. Н. Мещеряков, А. А. Муравьев исследуют управление машиной двойного питания при переменной частоте вращения;
• Московский энергетический институт (государственный
технический университет): ученые К. Я. Вильданов, В. А. Морозов, В. И. Нагайцев, А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, Н. И. Пашков, С. А. Грузков занимались развитием общей теории расчета электрических машин с постоянными магнитами, развитием математических моделей динамических режимов работы асинхронных двигателей интегрального исполнения; Н. Ф. Ильинский, В. А. Кузнецов, А. Б. Красовский, О. П. Темирев, В. Н. Остриров, В. Ф. Козаченко, А. М. Русаков разрабатывали мощные вентильно-индукторные электрические машины;
• Нижегородский государственный технический университет: ученые О. С. Хватов, В. Г. Титов, А. В. Шахов, О. Н. Ошмарин разрабатывают электротехнические комплексы на основе машины двойного питания;
• Самарский государственный технический университет: ученые Ю. А. Макаричев, А. В. Стариков, Ю. В. Зубков, Э. Г. Чеботков, А. С. Ануфриев внесли вклад в разработку методики анализа и синтезавентильных электрических машин, в том числе и для ветроэнергетики;
• Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики: ученый С. Г. Герман-Галкин внес существенный вклад в разработку компьютерных моделей машин двойного питания в среде MatLab;
• Томский политехнический университет (Инженерная школа энергетики): ученые В. М. Завьялов, С. Е. Клочков исследуют применение асинхронизированного синхронного генератора в качестве источника питания;
• Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина: ученые А. Т. Пластун, Ф. Н. Сарапулов, С. Е. Миронов, Е. Н. Андреев занимались разработкой конструкций торцевых машин, развитием теории и методов расчета синхронных машин с кольцевыми обмотками;
• Уфимский государственный авиационный технический университет: ученые Р. Н. Султангалеев, В. В. Семенов разрабатывают автономную систему электроснабжения на основе асинхронизированного синхронного генератора;
• Южно-Уральский государственный университет: ученые Ю. С. Усынин, М. А. Григорьев, Д. А. Сычев ведут разработки синхронного реактивного двигателя с независимым возбуждением; С. А. Ганджа разрабатывает теорию многоуровневой оптимизации вентильных электрических машин.
Значительное число публикаций говорит о том, что многие проблемы ветроэнергетики до сих пор не решены. Основная часть научных исследований посвящена анализу электроприводов ветроэнергетических установок и способам управления ими, а вопросы, касающиеся проектирования и оптимизации самой электрической машины, в полной мере не раскрываются. Существующие CAE-системы обеспечивают основу для реализации проектных систем электрических машин. Разработанные методы нелинейного программирования позволяют создавать многоуровневые системы оптимизации, но применительно к генераторам ветроэнергетических установок эти исследования не выполнены и эти научные пробелы должны быть восполнены.
В настоящее время в России вырабатывается 1 053 861,9 млн. кВтч, из которых на ВЭС (Ветряные электростанции) приходится лишь 131 млн. кВтч (0,012%). До 2014 года эти цифры были значительно меньше - 5 млн. кВтч. Подобный рост объясняется присоединением Крымской энергосистемы [3].
Согласно оценки экспертов, экономический потенциал ветроэнергетики России составляет более 33 млрд. кВтч, т.е. вырабатывать такое количество энергии выгодно уже в настоящее время. А значит, Российская Федерация может стать мировым лидером по производству электроэнергии путем добычи ее ветряными электростанциями [4].
В России ветроэнергетика используется в меньшем масштабе, тем не менее, в последнее время эта отрасль в стране достаточно интенсивно развивается. Особенность ее развития заключается в том, что строительство ветроэнергетических станций (ВЭС) реализуется в основном с привлечением зарубежных компаний, таких как Siemens Gamesa Renewable Energy S.A., Vestas, Lagerwey. Согласно постановлению правительства РФ № 426 от 03.06.2008 г., иностранные партнеры обязаны не только ввозить оборудование, но и размещать его производство на территории РФ, создавая новые предприятия и рабочие места. В том числе локализуется производство крупных электрических генераторов для ветроэнергетических установок.
При всех положительных эффектах этого постановления следует признать, что ни одно развитое государство не будет переносить новейшие научные разработки и инновационные индустриальные технологии на территорию другого государства. В Россию поставляется морально устаревшее, довольно часто и физически изношенное оборудование, которое отслужило свой срок и требует серьезной модернизации. Поэтому развитие собственной научной базы исоответствующей ей современной индустрии является как экономической, так и стратегической задачей. В связи с этим отечественные научно-исследовательские работы в области развития ветроэнергетики являются весьма важными и актуальными.
Понимая необходимость развития электроэнергетической отрасли, Правительство РФ приняло ряд нормативных правовых актов, которые должны поспособствовать развитию возобновляемых источников энергии ввиду их многочисленных преимуществ перед традиционными методами добычи электроэнергии.
Преимуществами ветростанций являются:
• отсутствие влияния на воздух, воду, почву. Не загрязняется окружающая среда;
• не производятся твердые отходы;
• отсутствие потребления органического топлива, такого как нефть, уголь, газ;
• как следствие, отсутствуют потери топливных ресурсов при добыче и транспортировке.
Преимущества ветроэнергетики перед традиционными способами добычи электроэнергии отражены в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение способов добычи электроэнергии
Виды воздействия Ветер Атом Уголь Природный
газ
Глобальное
потепление нет нет да да
Загрязнение воды (тепловое или вредными выбросами) нет да да да
Загрязнение воздуха нет нет да ограничено


13.04.02.2021.39.00.00 ПЗ ВКР Лист
12
Изм Лист № докум. Подпись Дата

Продолжение таблицы 1
Выброс ртути нет нет да нет
Виды воздействия Ветер Атом Уголь Природный
газ
Разработка месторождений, добыча топлива нет да да да
Твердые отходы нет да да нет
Среда обитания в целом весьма ограничено ограничено хранение и захоронение отходов да да

Помимо экономической, экологической и энергетической проблем, ветроэнергетика так же способствует решению проблемы освоения труднодоступных регионов.
Экстремальные климатические условия труднодоступных регионов ставят задачу энергообеспечения районов на первое место, так как от этого зависит не только функционирование производства и народные хозяйства, но и жизни людей, которые, в случае возникновения проблем с энергообеспечением, рискуют остаться без своего главного ресурса - электроэнергии. Самыми проблемными районами России в электроснабжении признаются удаленные восточные территории и крайний север.
В связи с малой плотностью населения, отсутствует возможность создания центрального энергоснабжения, а значит, чтобы обеспечить эти районы электроэнергией, необходима доставка топлива для производства энергии на месте. Это осложняется низкой степенью развитости транспортной
инфраструктуры, ограниченными сроками сезонного ввоза и дальним расположением регионов. Все эти факторы создают сложную, многозвенную цепочку процесса доставки топлива. Исходя из общего положения и опираясь на
13.04.02.2021.39.00.00 ПЗ ВКР Лист
13
Изм Лист № докум. Подпись Дата
совокупность всех ранее вышеперечисленных и упомянутых фактов, мы можем сделать вывод, что мероприятия по ввозу топлива в труднодоступные регионы весьма финансово затратные.
Одним из способов решения данной проблемы является производство электроэнергии, которое не потребует ввозимого топлива, на месте. Например, территории Дальнего Востока изобилуют реками, что частично восполняет энергетический дефицит, посредством использования гидроэлектростанций. Однако, использование ГЭС накладывает ряд обязательных условий, таких как: наличие существенного перепада высот, скорость течения рек, требования к грунту. Кроме того, в регионах крайнего севера такой способ добычи электроэнергии невозможен, так как большую часть года поверхность рек скованна льдом.
Еще одним способом решения проблемы электроснабжения является строительство тепловых энергетических станций на органическом топливе (газ, уголь и пр.), однако вновь встает вопрос о нецелесообразности ввоза топлива и строительства такого крупного объекта в целом.
Таким образом, исходя из общего положения и опираясь на совокупность всех ранее вышеперечисленных и упомянутых фактов, мы можем сделать вывод, что самым эффективным источником электроэнергии в труднодоступных регионах является ветряные электростанции, так как они:
• конструктивно проще, чем ТЭС и ГЭС;
• не предъявляют требований к климатическим условиям, кроме наличия ветра;
• не предъявляют серьезных требований к ландшафту местности;
• не требуют топлива.
Исходя из всего вышесказанного, можем заключить, что внедрение технологий ветряной электроэнергетики окажет заметную помощь в энергообеспечении труднодоступных регионов.

Купить

В ходе дипломной работы по заданным параметрам был разработан асинхронизированный синхронный генератор мощностью 3600 кВт, с частотой вращения 1000 об/мин для ветроустановки.
Была выбрана конструкция с обращенным исполнением генератора. Для него были рассчитаны геометрические размеры, выполнен расчет обмоток, расчет магнитной цепи, потерь и коэффициент полезного действия, а также построены рабочие характеристики.
Спроектированный генератор полностью удовлетворяет требованиям технического задания.
В качестве основного варианта для ВЭУ большой мощности выбран АСГ ( машина двойного питания). Этот тип электрических машин позволяет без дополнительных ступеней преобразования непосредственно генерировать стандартную энергию при изменении частоты вращения ротора в широком диапазоне от 0 до сверхсинхронной скорости, что обеспечивает высокий КПД преобразования.
При разработке квалификационной работы были использованы следующие программные средства: MathCad 15.0, SolidWorks 2013, Ansys Electromagnetics Suite 17.2, MicroSoft Office Word 2015.

Купить