Экзаменационный билет №24

1. Гидрогенераторы для малых ГЭС.

2. Конструкции ветроустановок вертикального типа с ротором ГРЦ «Вертикаль».

3. Эффективность применения разных типов ветроэнергетических установок в северных районах Красноярского края.

1. Гидрогенераторы для малых ГЭС.

Гидрогенератор - это электрическая машина предназначенная для преобразования механической энергии вращения вала турбины в электрическую энергию.

На малых ГЭС в основном применяются синхронные генераторы, в которых главный магнитный поток создается постоянным током возбуждения, вырабатываемого возбудителем. В последнее время применяются также установки с асинхронными гидрогенераторами, имеющие специальные преобразователи частоты и батареи конденсаторов для обеспечения нормальной работы ГЭС на изолированного потребителя.

К числу основных параметров гидрогенератора относятся: мощность, напряжение, частота вращения, коэффициент полезного действия.

Номинальная мощность генератора определяется по формуле (3.51) и представляет собой активную (действительную) мощность, измеряемую в кВт. Она связана с полной (кажущейся) мощностью генератора следующим соотношением

N_r=S·cosφ (3.53)

где cosφ - коэффициент мощности гидрогенератора, принимаемый для малых ГЭС равным 0.5-0.85.

Полная электрическая мощность генератора равна

(3.54)

где I - фазный ток статора A; U - линейное напряжение на выходах, кВ.

Синхронная частота вращения генератора определяется по формуле (3.52). Она должна как можно ближе соответствовать оптимальной частоте вращения гидротурбины.

Серийные горизонтальные гидрогенераторы обычно имеют высокие частоты вращения, присущие гидротурбинам малой мощности и высоким напорам: 250, 500, 750, 1000 и 1500 об/мин.

Низконапорные турбины имеют меньшие частоты вращения - 125-300 об/мин. В таких случаях для повышения частоты вращения генератора часто применяют повышающую передачу (мультипликатор) между турбиной и генератором. Это позволяет сократить размеры и стоимость генератора также выбрать оптимальную частоту вращения турбины путем подбора рационального передаточного отношения. Однако применение мультипликатора увеличивает потери в гидроагрегате и снижают его КПД на 3-5%.

Для генераторов установлены следующие стандартные напряжения: 0.4, 0.66, 3.15, 6.3, 10.5, 13.8 кВ. При работе малой ГЭС на местную сеть напряжение генератора принимаются равными 6.3 или 10.5 кВ. Для очень малых генераторов (мощностью менее 250 кВт) напряжение принимаются 0.4 кВ.

Потери в гидрогенераторе невелики и составляют в зависимости от режима работы генератора 3-5%. Коэффициент полезного действия генератора составляет при полной нагрузке η_Г=0.96-0.97, а при частичной нагрузке несколько меньше. Этим коэффициентом учитываются электромагнитные, механические и вентиляционные потери в электрической машине.

При изменении электрической нагрузки нарушается равновесие между моментом сопротивления генератора и вращающим моментом турбины, вследствие чего изменяется частота вращения агрегата. Система регулирования гидротурбины приводит открытие направляющего аппарата в соответствие с изменившейся нагрузкой и по истечении некоторого времени восстанавливает нормальную частоту вращения агрегата (рис. 3.58).

При внезапном полном сбросе нагрузки превышение частоты вращения над нормальной допускается до 50-80% при соединении с радиально-осевой гидротурбиной и до 120 % при соединении с поворотно-лопастной. На эту частоту вращения рассчитывается механическая прочность генератора.

Изменение частоты вращения тем больше, чем меньше маховой момент вращающихся частей агрегата и больше время закрытия гидротурбины. При прямом соединении валов турбины и генератора обычно учитывается лишь маховой момент ротора генератора, а маховым моментом рабочего колеса турбины и вала пренебрегают ввиду их сравнительной малости.

Требуемый маховой момент агрегата может быть определен из формулы (3.48)

т м² (3.55)

Действительный маховой момент ротора генератора определяется по данным завода изготовителя. В случае отсутствия этих данных его можно ориентировочно определить по формуле

GD²=3.2(D_i²-D_i0²)l_t тм²,

где D_i - внутренний диаметр расточки статора, м; D_i0 - внутренний диаметр обода ротора, м, для малых генераторов D_i0=D_i -1.7; l_t - высота активной стали статора, м (рис. 3.59).

При недостаточности махового момента ротора генератора маховой момент агрегата можно увеличить за счет применения маховика (рис. 3.60, позиция 7).

Конструктивно генератор состоит из следующих основных элементов (рис. 3.60): ротора 1, статора 2, опорного подшипника 3, направляющих подшипников 4 и 5; возбудителя 6. При недостаточности махового момента генератор может дополняться маховиком 7.

Конструктивное исполнение генераторов может быть вертикальным или горизонтальным. Горизонтальные генераторы применяются при мощности до 5000кВт, а вертикальные - от 1000 кВт и выше.

Характеристики и габариты синхронных генераторов определяются по каталогам на основе данных заводов-изготовителей. В случае отсутствия таких данных для предварительного определения размеров и массы тихоходных вертикальных агрегатов могут быть использованы следующие формулы.

На малых ГЭС при работе в энергосистеме могут устанавливаться асинхронные генераторы более простые, дешевые и удобные в эксплуатации. При этом необходимо иметь ввиду что частота вращения асинхронного генератора на 2-3% выше синхронной (на величину скольжения).

Для микроГЭС в последнее время применяется схема установки асинхронного генератора с нерегулируемой турбиной (за счет балластной нагрузки) и преобразователем частоты, пригодная как для работы ГЭС в энергосистему, так и на изолированного потребителя. В этой схеме для самовозбуждения генератора предусматривается батарея конденсаторов, а для поддержания частоты тока - преобразователь частоты.

2. Конструкции ветроустановок вертикального типа с ротором ГРЦ «Вертикаль».

Компания «ГРЦ-Вертикаль»

Страна: Россия

Адрес производителя:

Официальный сайт компании: www.src-vertical.com

Компания «ГРЦ-Вертикаль» ориентирована на производство ВЭУ с вертикальной осью вращения. Компания имеет несколько собственных разработок, что подтверждено патентами, представленными на сайте компании.

Основные научно-исследовательские и опытно конструкторские работы основаны на улучшении ротора «H-Дарье». Разработано 2 типа генераторов (тихоходный с плоским зазором, с комбинированным возбуждением и стабилизацией выходного напряжения). Разработаны аэродинамические тормоза для стабилизации скорости вращения ветроустановки. Разработан специальный опорный подшипник, позволивший увеличить срок службы ветроустановок минимум до 20 лет. Разработан блок электронной регулировки тока и напряжения на выходе установки.Разработаны соответствующие инверторы, бензиновые и дизельные генераторы, регуляторы, контроллеры и другие устройства питания и сопряжения для выпускаемых ветроэнергетических установок (ветрогенераторов). Освоено произвоство ветроустановок мощностью 1; 1,5; 3; 30 кВт.

В стадии разработки находится ВЭУ-55 (55 кВт).

Ведется разработка и изготовление опытных образцов сопутствующего оборудования — водоочистных систем, ветро-водородных модулей для производства водорода, микроГЭС (гидро-электростанций), различного электрооборудования и многого другого.

Из представленной информации видно, что данная компания ориентирована на сектор малой ветроэнергетики. К преимуществам ВЭУ с вертикальной осью вращения следует отнести более простую, а следовательно, и более надежную конструкцию (нет поворотного устройства гандолы ВЭУ). С другой стороны, ВЭУ с вертикальной осью вращения имеют следующие недостатки:

–существенно более высокая цена (в 2-3 раза), по сравнению с аналогами с горизонтальной осью вращения;

–необходимость пуска ВЭУ с помощью электрогенератора, который на момент пуска ВЭУ выполняет функции электродвигателя.

Таблица 3.10 – Технические характеристики перспективных ВЭУ НПО «ГРЦ-Вертикаль»

В целом, «ГРЦ-Вертикаль» можно рассматривать как основную альтернативу ВЭУ с горизонтальной осью вращения. К недостаткам такой ВЭУ, конечно приходится отнести цену, которая в 2-3 раза превышает стоимость некоторых отечественных аналогов в горизонтальной осью вращения.

С другой стороны, в секторах малой о очень малой ветроэнергетики ВЭУ «ГРЦ-Вертикаль» одни из самых производительных ВЭУ в мире.

Выводы:

Преимущества:

–отечественный производитель;

–отсутствие системы поворота лопастей (pitch-системы) позволяет повысить надежность установки в условиях арктического и субарктического климата;

–отсутствие флюгеров и анемометров также позволяет повысить надежность системы;

Недостатки:

–не до конца определена возможность использования ВЭУ в климатических условиях Красноярского края;

–сравнительно высокая стоимость, по сравнению с ВЭУ с горизонтальной осью вращения.

3. Эффективность применения разных типов ветроэнергетических установок в северных районах Красноярского края.

Наибольшим ветроэнергетическим потенциалом обладает северная часть края – Таймырский Долгано-Ненецкий муниципальный район. Удельная мощность ветра до 1263,3 Вт/м². Годовая удельная потенциальная энергия ветра составляет до 7376,9 кВт ^. ч/м² в год.

Большая часть территории муниципального района является энергодефицитной и получает электроэнергию от ДЭС. С точки зрения ветроэнергетического потенциала и энергодефицита перспективными к строительству ветроэлектростанций в являются следующие населенные пункты Таймыра: Диксон, Хатанга, Караул, Носок, Левинские пески, Каяк, Усть-Авам, Сындасско, Новорыбная, Жданиха, Кресты, Новая, Катырык, Хета, Волочанка, Хантайское озеро, Попигай, Потапово. В населенных пунктах Таймыра перспективно устанавливать ВЭУ с возможностью бескранового монтажа, адаптированные к арктическому климату.. Плотный проект предлагается реализовать в пос. Диксон Таймырского Долгано-Ненецкого муниципального района с установленной мощностью ВЭУ в 720 или 1080 кВт. Предлагается развить сеть ветроэлектрических станций и установить 7 740 кВт генерирующих мощностей ВЭУ для электроснабжения 19 населенных пунктов, что позволит ежегодно вырабатывать 23 764,4 МВт*ч электрической энергии, что составляет 12,2% от общей электроэнергии, вырабатываемой ДЭС и экономить 6 470,45 тонн дизельного топлива, что составляет около 5,1% от общего расхода дизельного топлива для электроснабжения удаленных пунктов. Расчетная себестоимость электроэнергии от ВЭУ – от 3 рублей за 1 кВт*ч и более.

Развитие масштабной ветроэнергетики в других муниципальных образованиях также возможно, но будет перспективно после получения опыта эксплуатации ВЭУ на территории Таймыра.

Технологиями, подходящими для строительства ВЭУ на Таймыре (северное исполнение, возможность бескранового монтажа) обладают всего 4 компании: «Nordwind Energieanlagen GmbH» (Германия), «Vergnet Eolien» (Франция), «Endurance wind power» (Великобритания), «Northern power systems» (США). Наиболее перспективными технологиями для северных территорий Красноярского края располагают 2 компании: «Nordwind Energieanlagen GmbH» и «Vergnet Eolien». Обе компании проявляют интерес к Российскому рынку ветроэнергетики. Расчетная удельная стоимость строительства ВЭС составляет около 212 222 руб./кВт (для ВЭУ мощностью 180 кВт) и 173 152 руб./кВт (для ВЭУ мощностью 275 кВт) соответственно. Разница в затратах определяется необходимостью для ВЭУ «Nordwind» докупать подъемное устройство для бескранового монтажа. Предпочтение рекомендуется отдать компании «Nordwind Energieanlagen GmbH» по следующим причинам:

–более прогрессивное техническое исполнение ВЭУ позволяет получить более высокую производительность и стойкость к низким температурам, по сравнению с технологией компании «Vergnet Eolien» (расчетная себестоимость электрической энергии и расчетный срок окупаемости ниже, минимальная расчетная температура у ВЭУ «Vergnet» -20 ^оС, у ВЭУ «Nordwind» -40 ^оС);

–представители компании «Nordwind» выражают готовность взять на себя затраты на строительство и обслуживание ВЭУ на территории Красноярского края при условии создания механизма гарантированного возврата инвестиций (законопроекта, позволяющего генераторам ВИЭ отпускать максимум производимой электрической и тепловой энергии по существующему «замороженному» тарифу на период окупаемости).

–представители компании «Nordwind» предлагают создать совместное Российско-Германское предприятие, осуществить трансферт технологий на территорию России и разместить завод по производству ВЭУ на базе промышленного парка в г. Железногорске.

–разработчики компании «Nordwind» предлагают исследовать режимы работы ВЭУ в арктическом климате и, при необходимости, технически усовершенствовать свою разработку.

–Поселок граничит с Северным Ледовитым океаном и имеет очень большой ветроэнергетический потенциал.

–Диксон – поселок городского типа, с действующим морским портом, аэропортом, метеостанцией и геологической и пограничной службами, а следовательно и достаточно большой электрической нагрузкой.

–Наличие действующего аэропорта позволит организовать круглогодичное обслуживание и доставку запасных частей и расходных материалов.

На территории других муниципальных районов использование ветроэнергетики возможно, но будет иметь меньшую экономическую эффективность. После Таймыра перспективным к рассмотрению является Туруханский муниципальный район, в силу большого энергодефицита и наличия среднего ветроэнергетического потенциала. Использование ВЭУ очень малой мощности (5-10 кВт и менее) возможно на территории всего Красноярского края при размещении ВЭУ на возвышенностях, равнинных местах или на границе крупных водоемов (например, Красноярского водохранилища). Производительность ВЭУ малой мощности на территории центральных и южных районов будет менее эффективной, чем на территории Севера. В целом, Малая ветроэнергетика решает точечные задачи малых частных потребителей и не может сильно повлиять на энергетическую политику в крае.