Відкрити головне меню

Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція

Cхема вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції.

Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція (англ. Wind turbine pumped storage hydropower plant) – комплекс гідро- та вітроенергетичних споруд і обладнання для гідроакумулювання та виробництва електроенергії. Комбінована вітро- гідроенергетична станція може бути такою ж надійною та потужною, як і звичайна велика енергетична станція, так як вона оптимально поєднує у собі переваги різних відновлювальних енергоресурсів. У вітряну погоду вітрові турбіни піднімають воду із нижньої водойми у верхню. накопичуючи потенціальну енергію. У безвітряну погоду гідроагрегати виробляють електричну енергію. використовуючи кінетичну енергію накопиченої води.

Загальна схема вітротурбінної гідроакумулювальної електростанціїРедагувати

 
Вихідна потужність вітрової електростанції WPP та вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції WTPS. 

Автономна вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція (ВГАЕС) у загальному випадку складається з вітроенергетичної та гідроенергетичної частин. Вітроенергетична споруда включає одну або ряд вітроенергетичних установок WT з каналами генерації електроенергії та (електро)механічну водоперекачувальну насосну систему PS для піднімання води. Вітроенергетичні установки встановлюються на нижньому та/або верхньому б`єфах водотоку (водосховищ). Гідроенергетична частина представляє собою верхнє URes та нижнє LRes накопичувальні водосховища, верхня водойма URes оснащена гідроагрегатами (гідротурбінами та гідрогенераторами) НТ. Вітроенергетичні установки можуть працювати в двох режимах: прямого виробництва електроенергії та гідроакумулювання (перекачування води). У режимі прямої генерації електричної енергії кінетична енергія потоку повітря перетворюється в кінетичну обертальну енергію роторів вітрових турбін WTR та жорстко поєднаних з ними роторів електрогенераторів WG. Електродинамічні системи електрогенераторів WG перетворюють кінетичну енергію роторів в електричну енергію EE. Параметри отриманого електричного струму EC доводяться в електричному адаптері EA до стандартів, придатних для його використання споживачами або постачання в електричну мережу EN. У режимі перекачування води електрична енергія EE, яка виробляється електрогенераторами вітроенергетичних установок, активує насосну водоперекачувальну систему PS. Водоперекачувальні насоси Р піднімають воду з нижнього водосховища LRes у верхнє URes і, таким чином, дозволяють запасати потенціальну енергію води. Акумульований резерв води в подальшому перетворюється в кінетичну енергію падаючого водяного потоку, а потім в кінетичну енергію гідротурбін НТ та поєднаних з ними роторів гідрогенераторів (електрогенераторів гідротурбін). Електродинамічні системи гідрогенераторів перетворюють обертальну кінетичну енергію роторів гідротурбін в електричну енергію. У разі відсутності вітру, живлення споживачів відбувається за рахунок енергії, яку виробляють гідроагрегати, що приводяться в дію потоком накопиченої води. Автономна ВГАЕС має замкнений цикл використання води і в процесі функціонування потребує незначного поповнення її запасів із зовнішнього джерела.

Важлива властивість автономної ВГАЕС - незалежність її від сезонних коливань стоку, тож, вона має суттєві переваги у порівнянні з «класичною» вітровою електростанцією, яка працює виключно в режимі виробництва електроенергії.

Вітроенергетичним спорудам притаманні вади руслово-греблевих ГЕС: заводнення та заболочення земель, зменшення сільськогосподарських угідь, знесення населених пунктів, порушення екологічного балансу, а також негативний вплив на флору та фауну місцевості.

 Параметри вітротурбінної гідроакумулювальної електростанціїРедагувати

Робота автономної вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції характеризується наступними енергетичними параметрами: об'єм водосховища (змінний об'єм води VRes в його резервуарі, об'єм води, який проходить через гідроагрегати протягом певного періоду, наприклад, доби); водяний напір HST, що є різницею висот між початковою та кінцевою точками падіння води;  об’ємні (масові) витрати води QHPP в одиницю часу; сумарна електрична потужність гідроагрегатів PHPP-EL; кількість гідроагрегатів NHA; електрична потужність одного гідроагрегату PHA-EL; сумарна електрична потужність вітрових агрегатів PWPP-EL; електрична потужність одного вітроагрегату PWA-EL; кількість вітрових агрегатів NWA; час, протягом якого гідроагрегати використовують весь змінний об’єм води, tHPP;  сумарна площа обхвату вітрових турбін АWPP; площа обхвату однієї вітротурбіни АWT; сумарна потужність вітрового потоку PWPP; тривалість вітру tWPP; коефіцієнт використання відновлюваної енергії потоку повітря ζWD (коефіцієнт корисної дії вітрової турбіни kWT), ζWD = kWT; коефіцієнт корисної дії вітрогенератора (електрогенератора) kWG; коефіцієнт корисної дії вітроагрегату (ВЕУ) kWA; продуктивність водоперекачувальної системи (швидкість заповнювання водосховища) QWPP; кількість та вартість річного виробітку електричної енергії ЕHPP; маса MOFF та/або об’єм VOFF органічного викопного палива, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції протягом року; прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с2.

Об’ємні (масові) витрати води гідроагрегатами електростанції QHPP в одиницю часу (м3/с) визначаються із співвідношення:

QHPP = PHPP/(ρHD·g·HST),                                  

де PHPP - потужність ГЕС в ідеальному випадку, без врахувань втрат на проміжних етапах перетворення енергії води в електричну енергію, PHPP = PHD, PHD – потужність водяного потоку, HST - водяний напір, ρHD – густина води, g - прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с2.

Об’єм водосховища (змінний об’єм води VRes в його резервуарі, або об’єм води, який проходить через гідроагрегати протягом доби):

VRes = QHPP·tHPP.                                        

Кількість електроенергії ЕHPP-EL, яка може бути вироблена за певний час роботи гідроагрегатів, дорівнює добутку їх електричної потужності PHPP-EL на час роботи t:

ЕHPP-EL = PHPP-EL·t.                                      

Вартість електричної енергії PPRΣ, яка може бути вироблена за певний період роботи гідроагрегатів електростанції, дорівнює добутку ціни 1 кіловат-години pPR на кількість електроенергії ЕHPP-EL (3):

PPRΣ  = pPR·ЕHPP-EL .                                    

Електрична потужність вітрових агрегатів, яка забезпечить цілодобову роботу гідроагрегатів турбіни, знаходиться з умови рівності електричної енергії, яка виробляється гідроагрегатами гідроакумулювальної електростанції ЕHPP-EL та енергії, яка витрачається вітроагрегатами гідроакумулювальної електростанції ЕWPP-EL для заповнення водосховища вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції:

ЕHPP-EL = ЕWPP-EL.                                       

Величини електричної енергії, яка виробляється гідроелектростанцією і витрачається вітровою електростанцією, можна виразити через електричні потужності гідроагрегатів PHPP-EL та вітроагрегатів PHPP-EL і час tHPP, tWPP, протягом якого працюють гідроагрегати та вітроагрегати, тоді попередній вираз прийме вигляд:

PHPP-EL·tHPP = PWPP-EL·tWPP.                                 

З цього рівняння знаходиться сумарна електрична потужність вітроагрегатів PWPP-EL:

PWPP-EL = (tHPP /tWPP)·PHPP-EL.                               

Сумарна потужність вітрових агрегатів PWPP-EL може бути знайдена також через параметри вітрового потоку та конструктивні параметри вітрових енергетичних установок:

PWPP-EL = kWA·PWPP = kWT·kWG·PWPP = 0,5·kWT·kWG·ρWD·АWT·vWD3,       

де kWA, kWT, kWG - коефіцієнти корисної дії вітроагрегату, вітротурбіни та вітрогенератора відповідно, kWA = k WT·kWG.

Продуктивність водоперекачувальної системи (швидкість заповнювання водосховища вітроагрегатами) QWPP визначається із співвідношення:

QWPP= PWPP-EL/(ρHD·g·HST).                        

Формула для визначення площі поперечного перерізу повітряного потоку, яка забезпечує електричну потужність PWPP-EL, має вигляд:

АWPP = PWPP-EL/(0,5·kWT·kWG·ρWD·vWD3) =

= 2(tHPP/tWPP)·PHPP-EL/(kWT·kWG·ρWD·vWD3).            

Потужність вітрових енергетичних установок обмежена, тож, відбору вітрової енергії з усієї площі поперечного перерізу повітряного потоку можна  досягти використанням NWT вітрових енергетичних установок електричною потужністю PWA-EL кожна. Охват вітрової турбіни АWT визначається конструктивними параметрами вітрової турбіни, зокрема, довжиною лопаті (радіусом ротора) RWT:

АWT = π·RWT2.                                       

Кількість вітроенергетичних установок у станції NWA визначається відношенням:

NWA = АWPPWT.                                    

Радіус ротора вітротурбіни RWT  у цьому випадку дорівнює 

RWT = √(АWT/π).                                     

Кількість органічного викопного палива (наприклад, об'єм VOFF природного газу) з питомою теплотворною здатністю сOFF, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції протягом року, розраховується наступним чином:

VOFF = ЕHPP-EL/(kOFF сOFF).                             

де kOFF - коефіцієнт корисної дії теплоенергетичних систем на органічному паливі, в енергоефективних системах kOFF = 0,4.

В таблиці приведені дані розрахунків енергетичних параметрів вітротурбінних гідроакумулювальних електростанцій потужністю 20 МВт, 40 МВт, 60 МВт, 80 МВт та 100 МВт при наступних вихідних даних: водяний напір (висота підйому води) HST = ; час, протягом якого гідроагрегати використовують весь змінний об’єм води, tHPP = 24 години;  час, протягом якого працюють вітроагрегати і заповнюють водою весь об'єм водосховища (тривалість вітру) tWPP = 10 годин щодоби; середньостатистичне значення швидкості вітру vWD = 7 м/с; густина повітря ρWD = 1,2 кг/м3; густина води ρHD = 1000 кг/м3; коефіцієнт корисної дії гідроагрегатів kHA = 1; коефіцієнт використання відновлюваної енергії потоку повітря (коефіцієнт корисної дії вітрової турбіни) ζWD = kWT = 0,526 та коефіцієнт корисної дії електрогенератора kWG = 0,95; прискорення вільного падіння g = 9,81 м·с-2.

Таблиця 1

Параметри ВГАЕС підвищеної потужності на основі

руслово-греблевих ГЕС

Гідроенергетика    
Потужність гідротурбін, МВт 20 40 60 80 100
Витрати води за 1 с., х 102, м3 2 4 6 8 10
Об’єм водосховища, млн.м3 17,3 34,6 51,8 69,1 86
Енергія за 1 рік, х107, кВт·год 17,3 34,6 51,8 69,1 86
Вартість е-енергії за 1 рік, х106, US$ 17,3 34,6 51,8 69,1 86
Вітроенергетика    
Потужність ВЕС, МВт 48 96 144 192 240
Накопичення води за 1 с., м3 480 960 1440 1920 2400
Накопичення води за 10 год., млн. м3 17,3 34,6 51,8 69,1 86
Енергія ВЕС за 1 с., МДж 48 96 144 192 240

 Аби забезпечити стабільну вихідну потужність 100 МВт, ВГАЕС на основі існуючої руслово-греблевої ГЕС повинна використовувати 100 одиниць ВЕУ сумарною площею обхвату вітротурбін 2220•103 м2 і потужністю 2,4 МВт кожна. Така  ВГАЕС спроможна щосекунди підняти на висоту 10 метрів (у верхнє водосховище) води, накопичити за 10 годин роботи 86•106 м3 води й надати можливість штатним гідротурбінам ГЕС загальною потужністю 100 МВт працювати безперервно протягом 24 годин. ВГАЕС потужністю 100 МВт дозволяє виробити протягом року 86•107 кВт•год електроенергії вартістю US$86 млн. За 10 років вартість виробленої електроенергії складе US$860 млн. Проте, вартість електричної енергії, яку виробляє ВГАЕС, не дає повної картини її цінності, так як не менш суттєвими є її екологічні переваги - за 10 років роботи ВГАЕС дозволяє заощадити 238•107 м3 природного газу і, таким чином, зменшити викиди парникових газів в атмосферу. Тож, природно, що вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція може бути використана для збільшення маневрових та регулюючих потужностей об'єднаної енергетичної системи. Порівняння потужностей руслово-греблевої електростанції PHPP та вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції PWТPS, створеної на основі цієї руслово-греблевої ГЕС, свідчить на користь ВГАЕС, бо PWТPS » PHPP. Інтеграція вітроенергетичних та гідроенергетичних систем дозволяє повніше використати гідроенергетичний потенціал природних водяних стоків та підвищити енергоефективність існуючих гідроенергетичних споруд. Також відпадає необхідність створення додаткових водойм для гідроакумулювання енергії. Спільне використання гідроенергетичних та вітроенергетичних систем розширяє сферу використання відновлюваних джерел енергії та знижує екологічне навантаження на густонаселені райони.

Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція на основі руслово-греблевої ГЕСРедагувати

 
Вітротубінна гідроакумулювальна електростанція на основі існуючої руслово-греблевої ГЕС.

Суттєві енергетичні та екологічні позитиви властиві вітро-гідроенергетичним системам, створеним на базі існуючих руслово-греблевих ГЕС. У таких комбінованих агрегаціях вітряні електростанції, окрім прямої генерації електричного струму, використовуються для повертання «відпрацьованої» води у водосховище для повторного виробництва енергії із застосуванням штатних гідроагрегатів ГЕС. У такий спосіб вдається продовжити в часі робочий режим гідроелектростанцій (збільшити коефіцієнт використання встановленої потужності ГЕС), підвищити стабільність параметрів електричного струму в електромережі і, таким чином, підвищити енергоефективність усієї гідроенергетичної споруди. Що дуже важливо, споруди та обладнання комбінованих вітро-гідроенергетичних систем можуть бути застосовані для виконання функцій класичних гідроакумулювальних електростанцій, тобто, для використання надлишку енергії з електричної мережі при її перевиробництві та пониженому попиті для накопичення потенціальної енергії води, враховуючи великий обсяг вільних місткостей водосховищ, нагадаємо, тільки у водосховищах Дніпровського каскаду ГЕС час від часу внаслідок обміління він становить 5…8 км3

Див. такожРедагувати

Література і посиланняРедагувати

  • Сидоров В.І. Технології гідро- та вітроенергетики. - Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. - 166 с.
  • Сидоров В.І. Вітротурбінні технології гідроакумулювання / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2016. - №6. - с. 14-24
  • Сидоров В.І. Безгреблеві гідроелектростанції на основі занурених та напівзанурених гідротурбін / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2017. - №3 (105). - с. 18-26
  • Сидоров В. І. Зваблення скіфа. Етюди / Черкаси: Вертикаль. Видавець Кандич С. Г.  2016. — 316 с.