Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція на основі руслово-греблевої ГЕС

Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція на основі руслово-греблевої ГЕС (англ. Wind turbine pumped storage hydropower plant on the basis of existing «dammed water» riverbed HPP) — комплекс гідро- та вітроенергетичних споруд і обладнання для гідроакумулювання та виробництва електроенергії. Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція призначена для створення гідроакумулювальних потужностей, використовуючи існуючі напірні руслово-греблеві гідроелектростанції. 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.

Вітротубінна гідроакумулювальна електростанція на основі існуючої руслово-греблевої ГЕС.

Загальна схема вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції

ред.
 
Вітротубінна гідроакумулювальна електростанція (ВГАЕС) на основі існуючої ГАЕС.

Схема вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції (ВГАЕС) на основі руслово-греблевої ГЕС включає руслово-греблеву гідроелектростанцію HPP, вітрові електростанції WPP1 та WPP2, насосну водоперекачувальну систему PS1-PS2 та трубопровід TNG. Одна вітрова електростанція WPP1 встановлюється на нижньому б'єфі водотоку, на безпечній відстані від греблі D, друга вітрова електростанція WPP2 — на верхньому б'єфі. Насосна водоперекачувальна система PS1-PS2 забезпечує підняття води з нижнього б'єфу русла у верхнє водосховище і складається з водозабірних вузлів та (електро)механічних водоперекачувальних насосів Р, розташованих групами по одній, або по обох сторонах греблі. Насоси живляться від вітрових електростанцій WPP1 та WPP2, а також від об'єднаної електромережі EN в класичному режимі гідроакумулювання. Водоперекачувальні насоси Р піднімають воду у верхнє водосховище трубопроводом TNG, який включає в себе кілька водоперекачувальних рукавів, встановлених поверх, або ж в обхід греблі.

Режими роботи вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції

ред.

Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція може працювати у трьох наступних режимах: (1) роздільної генерації електричної енергії вітровими електростанціями та гідроелектростанцією й постачання виробленої електричної енергії в об'єднану електричну мережу; (2) гідроакумулювання вітровими електростанціями й генерації електричної енергії гідроелектростанцією; (3) класичного гідроакумулювання за допомогою насосної водоперекачувальної системи з відбором пікових надлишків електричної енергії з об'єднаної електричної мережі. При роботі ВГАЕС в режимі генерації електричної енергії кінетична енергія рухомого повітря перетворюється в кінетичну обертальну енергію роторів вітрових турбін електростанцій WPP1 та WPP2 та з'єднаних з ними роторів електрогенераторів, які за допомогою електродинамічної системи перетворюють кінетичну енергію повітря в електричну енергію. Параметри електричної енергії доводяться за допомогою електричних адаптерів до потрібних стандартів, й вона подається в об'єднану електричну мережу EN. При роботі ВГАЕС в режимі вітротурбінного гідроакумулювання електрична енергія з вітрових електростанцій WPP1 та WPP2 активує (електро)механічні насоси Р, які через трубопровід TNG повертають «відпрацьовану» воду з нижнього рівня водотоку у верхнє водосховище, таким чином, збільшуючи резерв потенціальної енергії. В подальшому накопичена вода при падінні перетворюється в електричну енергію за допомогою штатних турбін гідроелектростанції HPP. У режимі класичного гідроакумулювання надлишки електричної енергії з об'єднаної електромережі EN подаються на водоперекачувальну систему PS1-PS2 і активують насоси Р, які через трубопровід TNG піднімають воду з нижнього б'єфу у верхнє водосховище.

 
Каскадне розташування вітротурбінних гідроакумулювальних електростанцій.

Порівняння потужностей руслово-греблевої електростанції PHPP та вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції PWTPS, створеної на основі цієї руслово-греблевої ГЕС, свідчить на користь ВГАЕС, бо PWTPS " 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.

Комбінована ВГАЕС є екологічним та економічним проектом для захисту клімату та природи. Вона може включати ряд ВЕС та руслово-греблевих ГЕС, реконструйованих для цілей гідроакумулювання, керованих таким чином, аби задовольнити потребу в електроенергії при різних погодних умовах. Доказано, що вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції можуть бути такими ж надійними та потужними, як і звичайні потужні енергетичні станції, так як вони оптимально поєднують у собі переваги різних відновлюваних енергоресурсів. Рівень виробництва електричної енергії вітротурбінними гідроакумулювальними електростанціями не залежить від річкового стоку, тож, така співпраця корисна класичним руслово-греблевим ГЕС. Та найбільше благо від ВГАЕС — для об'єднаної енергетичної системи.

Вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції на каскаді існуючих ГЕС

ред.

При роботі вітротурбінних гідроакумулювальних електростанцій WTPS1, WTPS2, зведених на каскаді ГЕС HPP1 та HPP2, потрібно враховувати енергетичні параметри як кожної окремої структури, наприклад, вітрових електростанцій WPP1, WPP2, так і взаємний вплив електростанцій на

 
Схема побудови вітротурбінних гідроакумулювальних електростанцій на Дніпровському каскаді руслово-греблевих ГЕС.

заповнюваність водосховищ водою. Зокрема, необхідно контролювати: вільні об'єми VA, VB, VC, VD, VE у водосховищах A, B, C, D і E; наявність в них води для перекачування; швидкість вітру vBA, vCB, vDC, vED, vIE в акваторіях різних ГЕС та швидкість заповнювання водосховищ (продуктивність водоперекачуючих систем PS) QBA, QCB, QDC, QED, QIE. Тобто, робота вітротурбінних гідроакумулювальних електростанцій каскаду має бути синхронізована. Вплив нестабільності вітру на акваторіях електростанцій на своєчасність заповнювання водосховищ може бути подолано, наприклад, використанням надлишків електроенергії в електричній мережі у нічний час для заповнення проблемних об'ємів. Система автоматичного регулювання має забезпечувати максимальне заповнення басейнів, розташованих вище по руслу, бо згодом вода «спрацьовує» через всі нижні водосховища каскаду.

 
Оптимізація потужності об'єднаної енергосистеми за допомоги . вітротубінних гідроакумулювальних електростанцій.

У межах України ВГАЕС, які інтегровані з класичними руслово-греблевими ГЕС, можуть додатково безперебійно виробляти електроенергію потужністю 2,5 ГВт, а це середньорічна потужність трьох енергетичних ядерних реакторів атомної електростанції. Ще більша цінність ВГАЕС як маневрова та регулювальна потужність для об'єднаної енергетичної системи. Потужні вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції WTPS1, WTPS2, WTPS3, створені на базі руслово-греблевих гідроелектростанцій HPP1, HPP2 та HPP3, спроможні успішно урівноважувати генерацію електричної енергії атомними електростанціями NPP1, NPP2, NPP3, тепловими електростанціями TPP1, TPP2, вітровими та сонячними електростанціями зі споживанням електричної енергії населенням, комунальним господарством, промисловими та агропромисловими об'єктами. Вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції оптимізують енергоефективність існуючих руслово-греблевих ГЕС гідроакумулюванням «відпрацьованої» води за допомогою вітрових турбін, таким чином, балансуючи пікові навантаження потужних електричних мереж та збільшуючи маневрові потужності всієї енергосистеми.

Тож, можливості та безпечні технології отримання додаткових маневрових потужностей існують. Їх впровадження дозволяє диспетчерам об'єднаної енергосистеми України відмовитись від крайніх і непередбачуваних заходів.

Потреба в регулюванні потужності енергетичних систем не є суто українською. Як свідчать тенденції розвитку електроенергетики, майбутнє — за вітротурбінними гідроакумулювальними електростанціями. Традиційна конкуренція, яка здавен існує між гідроенергетикою та вітроенергетикою, врешті, поступиться місцем їх інтеграції. Більшість країн, у тому числі і наша, скористається можливостями, які надає інтеграція вітротурбінних технологій гідроакумулювання з існуючими технологіями руслово-греблевих ГЕС. Нові технології дадуть змогу раціонально, по-господарськи використовувати кожен літр води, кожен подих вітру, кожен Джоуль гідравлічної і вітрової енергії, і прикладні дослідження є тому запорукою.

Див. також

ред.

Література і посилання

ред.
  • Сидоров В. І. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.
  • Сидоров В. І. Вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції / 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.