Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція: відмінності між версіями

Робота автономної вітротурбінної [[Гідроакумулювальна електростанція|гідроакумулювальної електростанції]] характеризується наступними енергетичними параметрами: об’єм[[об'єм]] [[Водосховище|водосховища]] (змінний об’єм[[об'єм]] води V_Res в його [[Резервуар|резервуарі]], об’ємоб'єм води, який проходить через [[Гідроагрегат|гідроагрегати]] протягом певного періоду, наприклад, [[Доба|доби]]); водяний [[напір]] H_ST, що є різницею висот між початковою та кінцевою точками падіння води;  [[об’ємні (масові) витрати води]] Q_HPP в [[Секунда|одиницю часу]]; сумарна [[Потужність електричного струму|електрична потужність]] [[Гідроагрегат|гідроагрегатів]] P_HPP-EL; кількість гідроагрегатів N_HA; [[Потужність електричного струму|електрична потужність]] одного гідроагрегату P_HA-EL; сумарна електрична потужність вітрових агрегатів P_WPP-EL; електрична потужність одного вітроагрегату P_WA-EL; кількість вітрових агрегатів N_WA; час, протягом якого гідроагрегати використовують весь змінний об’єм води, t_HPP;  сумарна площа охватуобхвату [[Вітрова турбіна|вітрових турбін]] А_WPP; площа охватуобхвату однієї [[Вітрова турбіна|вітротурбіни]] А_WT; сумарна [[потужність]] вітрового потоку P_WPP; тривалість [[Вітер|вітру]] t_WPP; коефіцієнт використання [[Відновлювана енергія|відновлюваної енергії]] [[Вітер|потоку повітря]] ζ_WD ([[коефіцієнт корисної дії]] вітрової турбіни k_WT), ζ_WD = k_WT; [[коефіцієнт корисної дії]] [[Вітрогенератор|вітрогенератора]] ([[Електричний генератор|електрогенератора]]) k_WG; [[коефіцієнт корисної дії]] [[Вітроагрегат|вітроагрегату]] (ВЕУ) k_WA; [[продуктивність]] водоперекачувальної системи (швидкість заповнювання [[Водосховище|водосховища]]) Q_WPP; кількість та [[вартість]] річного виробітку [[Електрична енергія|електричної енергії]] Е_HPP; маса M_OFF та/або об’єм V_OFF [[Викопне паливо|органічного викопного палива]], яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної [[Гідроакумулювальна електростанція|гідроакумулювальної електростанції]] протягом [[Рік|року]]; прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с².

[[Об’ємні (масові) витрати води]] гідроагрегатами [[Електростанція|електростанції]] Q_HPP в одиницю часу (м³/с) визначаються із співвідношення:

де P_HPP - [[потужність]] ГЕС в ідеальному випадку, без врахувань втрат на проміжних етапах перетворення енергії води в електричну енергію, P_HPP = P_HD, P_HD – потужність водяного потоку, H_ST - водяний напір, ρ_HD – густина води, g - прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с².

Кількість [[Електрична енергія|електроенергії]] Е_HPP-EL, яка може бути вироблена за певний час роботи гідроагрегатів, дорівнює добутку їх електричної потужності P_HPP-EL на час роботи t:

[[Вартість]] [[Електрична енергія|електричної енергії]] P_PRΣ, яка може бути вироблена за певний період роботи гідроагрегатів [[Електростанція|електростанції]], дорівнює добутку ціни 1 кіловат-години p_PR на кількість електроенергії Е_HPP-EL (3):

[[Потужність електричного струму|Електрична потужність]] вітрових [[Агрегат (техніка)|агрегатів]], яка забезпечить цілодобову роботу гідроагрегатів турбіни, знаходиться з умови рівності електричної енергії, яка виробляється гідроагрегатами гідроакумулювальної електростанції Е_HPP-EL та енергії, яка витрачається вітроагрегатами гідроакумулювальної електростанції Е_WPP-EL для заповнення водосховища вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції:

Величини [[Електрична енергія|електричної енергії]], яка виробляється [[Гідроелектростанція|гідроелектростанцією]] і витрачається вітровою електростанцією, можна виразити через [[Потужність електричного струму|електричні потужності]] гідроагрегатів P_HPP-EL та вітроагрегатів P_HPP-EL і час t_HPP, t_WPP, протягом якого працюють гідроагрегати та вітроагрегати, тоді попередній вираз прийме вигляд:

З цього рівняння знаходиться сумарна [[Потужність електричного струму|електрична потужність]] вітроагрегатів P_WPP-EL:

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

Продуктивність водоперекачувальної системи (швидкість заповнювання [[Водосховище|водосховища]] вітроагрегатами) Q_WPP визначається із співвідношення:

[[Потужність]] вітрових енергетичних установок обмежена, тож, відбору вітрової енергії з усієї площі поперечного перерізу повітряного потоку можна  досягти використанням N_WT вітрових енергетичних установок електричною потужністю P_WA-EL кожна. Охват вітрової турбіни А_WT визначається конструктивними параметрами вітрової турбіни, зокрема, довжиною лопаті (радіусом ротора) R_WT:

[[Радіус]] [[Ротор (техніка)|ротора]] вітротурбіни R_WT  у цьому випадку дорівнює 

Кількість органічного [[Горючі корисні копалини|викопного палива]] (наприклад, об’ємоб'єм V_OFF [[Природний газ|природного газу]]) з [[Теплотворна здатність палива|питомою теплотворною здатністю]] с_OFF, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної [[Гідроакумулювальна електростанція|гідроакумулювальної електростанції]] протягом року, розраховується наступним чином:

де k_OFF - [[коефіцієнт корисної дії]] [[Теплоенергетика|теплоенергетичних систем]] на [[Горючі корисні копалини|органічному паливі]], в [[Енергоефективність|енергоефективних]] системах k_OFF = 0,4.

В таблиці приведені дані розрахунків енергетичних параметрів вітротурбінних [[Гідроакумулювальна електростанція|гідроакумулювальних електростанцій]] [[Потужність|потужністю]] 20 МВт, 40 МВт, 60 МВт, 80 МВт та 100 МВт при наступних вихідних даних: водяний [[напір]] (висота підйому води) H_ST = ; час, протягом якого гідроагрегати використовують весь змінний об’єм води, t_HPP = 24 години;  час, протягом якого працюють вітроагрегати і заповнюють водою весь об’єм[[об'єм]] [[Водосховище|водосховища]] (тривалість вітру) t_WPP = 10 годин щодоби; середньостатистичне значення швидкості вітру v_WD = 7 м/с; густина повітря ρ_WD = 1,2 кг/м³; густина води ρ_HD = 1000 кг/м³; [[коефіцієнт корисної дії]] гідроагрегатів k_HA = 1; коефіцієнт використання [[Відновлювана енергія|відновлюваної енергії]] потоку [[повітря]] ([[коефіцієнт корисної дії]] [[Вітрова турбіна|вітрової турбіни]]) ζ_WD = k_WT = 0,526 та [[коефіцієнт корисної дії]] [[Електричний генератор|електрогенератора]] k_WG = 0,95; [[прискорення вільного падіння]] g = 9,81 м·с^-2.

 Аби забезпечити стабільну вихідну [[потужність]] 100 МВт, ВГАЕС на основі існуючої [[Гідроелектростанція|руслово-греблевої ГЕС]] повинна використовувати 100 одиниць ВЕУ сумарною площею охватуобхвату [[Вітрова турбіна|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 [[Рік|року]] 86•10⁷ [[Кіловат-година|кВт•год]] [[Електрична енергія|електроенергії]] вартістю [[Долар США|US$]]86 млн. За 10 років вартість виробленої [[Електрична енергія|електроенергії]] складе [[Долар США|US$]]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[[Об'єднана енергетична система України|об'єднаної енергетичної системи]]. Порівняння потужностей [[Гідроелектростанція|руслово-греблевої електростанції]] P_HPP та вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції P_WТPS, створеної на основі цієї руслово-греблевої ГЕС, свідчить на користь ВГАЕС, бо P_WТPS » P_HPP. Інтеграція вітроенергетичних та гідроенергетичних систем дозволяє повніше використати гідроенергетичний потенціал [[Стік|природних водяних стоків]] та підвищити [[енергоефективність]] існуючих гідроенергетичних [[Споруда|споруд]]. Також відпадає необхідність створення додаткових [[Водойма|водойм]] для гідроакумулювання енергії. Спільне використання гідроенергетичних та вітроенергетичних систем розширяє сферу використання [[Відновлюване джерело енергії|відновлюваних джерел енергії]] та знижує [[Список проблем довкілля|екологічне навантаження]] на густонаселені райони.

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