6 электростанции и энергосистемы 1 общие понятия электростанцией
Рис. 6.4.4. Гидроэлектростанции на реке Колумбия в 2008 году
жүктеу/скачать 1.41 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Рис. 6.4.5. Волго-Камский каскад ГЭС
- Рис. 6.4.6. Каскад ГЭС на Западной Двине
- Рис. 6.4.7. Крупнейшие производители гидроэлектроэнергии в 2004 году
- Рис. 6.5.6. Рост суммарной мощности ВЭС в мире (на конец каждого года)
- Рис. 6.5.7. Мощность ВЭС в конце 2007 года в странах, обладающих по меньшей мере 2 % суммарной мировой мощности ВЭС
Рис. 6.4.4. Гидроэлектростанции на реке Колумбия в 2008 годуКрупнейшим в Европе является Волго-Камский каскад ГЭС мощностью 11 599 MW (на Волге 8827 MW, на Каме 2772 MW), изображенный на рис. 6.4.5. При модернизации гидроагрегатов мощность этого каскада может несколько увеличиться, однако технико-экономический гидроэнергетический потенциал этих рек можно считать полностью использованным. 
Рис. 6.4.5. Волго-Камский каскад ГЭСКрупнейший каскад Балтийских стран, состоящий из трех ГЭС суммарной мощностью 1534 MW и годовой выработкой электроэнергии приблизительно 3 TWh построен на Западной Двине (Daugava) в Латвии (рис. 6.4.6). Было предусмотрено строительство и четвертой ГЭС вблизи города Даугавпилса (Daugavpils), но из-за обоснованных протестов местного населения этот проект не был реализован. 
Рис. 6.4.6. Каскад ГЭС на Западной ДвинеВ среднем течении Западной Двины (Республика Беларусь) предусматривается строить (приблизительно к 2015 году) три или четыре ГЭС меньшей мощностью. Вскоре самым крупным в мире станет каскад ГЭС на реке Янцзы в Китае, на котором, кроме строящейся ГЭС Санься (Sanxia) и существующей ГЭС Гезоуба (Gezhouba, 2700 MW), запланированы 12 крупных станций в верхнем течении реки (в Сино-Тибетских горах) общей мощностью около 60 GW. Наилучшими гидроэнергетическими показателями в мире обладает река Ангара: почти равномерный сток в течение всего года обеспечивает озеро Байкал. Общая мощность трех существующих ГЭС Ангарского каскада (Иркутской, Братской и Усть-Илимской) в начале 2008 года составляла 9482 MW. Вблизи устья реки сооружается Богучанская ГЭС (1620 MW), которая должна вступить в строй в 2010 году. В Эстонии в начале 2008 года существовало более 20 мелких ГЭС общей мощностью 5,2 MW. Наиболее крупной из них является ГЭС Линнамяэ (Linnamäe, 1,152 MW) на реке Ягала (Jägala), построенная в 1924 году, взорванная во время войны в 1941 году и восстановленная в 2002 году. В 2006 году гидроэлектростанции Эстонии вырабатывали 13,5 GWh электроэнергии, что составляет 0,14 % всей выработки электроэнергии в стране [6.1]. Идейным основоположником гидроэнергетики считается президент Института чугуна и стали Великобритании Уильям Сименс (William Siemens, 1823–1883), который в 1877 году в своем президентском выступлении выдвинул идею возможного использования гидроэнергии рек для получения электроэнергии и рекомендовал, в частности, соорудить мощную ГЭС у Ниагарского водопада, с которым он специально знакомился. Первую ГЭС мощностью приблизительно 3 kW построил в 1878 году английский промышленник и меценат науки лорд Уильям Джордж Армстронг (William George Armstrong, 1810–1900) для питания электродуговой осветительной установки галереи живописи своего дворца в Крегсайде (Cragside, Northumberland, Великобритания). Первая ГЭС общего пользования также была сооружена в Англии – в Годалминге (Godalming) на реке Уэй (Wey) в 1881 году; на этой ГЭС были установлены два генератора Сименса постоянного тока общей мощностью приблизительно 6 kW [6.2]. В том же 1881 году началось и использование Ниагарского водопада для получения электроэнергии. Гидроэлектростанции США и Канады, расположенные рядом с водопадом, постоянно усовершенствовались в течение более 100 лет, а полученный при этом опыт использовался при сооружении других мощных ГЭС. С 1998 года мощность ГЭС на канадской стороне (Sir Adam Beck) составляет 1804 MW, а на стороне США (Robert Moses), вместе с ГАЭС Льюистон (Lewiston) –2640 MW. В Эстонии первый генератор, присоединенный к общей трансмиссии, приводимой гидротурбиной, был установлен в 1882 году на Кренгольмской мануфактуре (Kreenholm) в Нарве, а в 1893 году вступила в строй ГЭС цементного завода в Кунда (Kunda) мощностью 210 kW, которая на тот момент была самой крупной в Российской империи. Кроме гидроэнергии рек имеются реальные возможности использования и энергии морских приливов путем сооружения приливных электростанций (ПЭС). На начало 2008 года в мире действовало около 10 ПЭС, из которых самыми крупными являлись
Наиболее существенной проблемой при сооружении ПЭС считаются большая материалоемкость и высокая стоимость плотины, отделяющей бассейн ПЭС от моря. Поэтому сооружение более крупных ПЭС в настоящее время еще себя не оправдывает, хотя проекты на них составлены (например, имеется проект Мезенской ПЭС мощностью 11,4 GW на Белом море). В 2003 году в Великобритании начались опытные исследования по бесплотинным ПЭС, в которых используются подводные пропеллерные турбины, приводимые во вращение движением воды во время прилива и отлива. Первые опытные турбины такого типа мощностью 300 kW были установлены в Великобритании и Норвегии, а в марте 2008 года в Бристольском заливе (Bristol, Великобритания), вблизи устья реки Северн (Severn), был установлен первый промышленный агрегат мощностью 1,2 MW. Предполагается, что в будущем могут изготовляться такие агрегаты мощностью до нескольких мегаватт. Еще труднее использовать энергию морских волн. Существует несколько конструктивных решений плавающих и неподвижных волновых электростанций (ВлЭС) мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких мегаватт, которые в настоящее время проходят опытные или опытно-промышленные испытания. В 2006 году вблизи города Повоа де Варзим (Póvoa de Varzim, Португалия) была принята в коммерческую эксплуатацию первая очередь ВлЭС Агусадора (Aguçadora) мощностью 2,25 MW типа Пеламис (Pelamis), состоящая из трех секций по 750 kW. Каждая секция представляет собой длинный ряд плавающих цилиндров диаметром 3,5 m, последовательно соединенных между собой при помощи гидравлических шарнирных механизмов. В этих механизмах энергия качания цилиндров сначала преобразуется в механическую энергию гидродвигателя, а затем в электроэнергию. Длина секции равна 142 m. К 2015 году планируется повысить мощность этой станции до 525 MW. Другим перспективным типом считаются гидропневматические ВлЭС, в которых волны по сужающемуся каналу направляются в напорное устройство, где возникает переменное сжатие и разрежение воздуха, благодаря чему приводится в движение воздушная турбина. Термин Пеламис происходит от латинского названия одной из разновидностей морских змей (Pelamis platurus). Возможности использования гидроэнергоресурсов в разных странах существенно различаются. Самую дешевую гидроэлектроэнергию могут дать ГЭС, сооруженные на горных реках с большим уклоном и мощным стоком; из европейских стран такие благоприятные условия имеются, например, в Норвегии, Швеции, Австрии, Швейцарии и Исландии. Данные о странах, производящих наибольшее количество гидроэлектроэнергии (не менее 2 % от общемировой выработки) приведены на рис. 6.4.7, а данные о производстве гидроэлектроэнергии на душу населения – на рис. 6.4.8. 
Рис. 6.4.7. Крупнейшие производители гидроэлектроэнергии в 2004 году Рис. 6.4.8. Выработка гидроэлектроэнергии на душу населения в 2004 году (в странах, где этот показатель в два и более раза превышал среднемировой уровень) 6.5 ВЕТРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Доля ветряных электростанций (ветроэлектростанций, ВЭС) в мировой выработке электроэнергии в 2004 году составляла всего 0,5 % (см. рис. 6.1.3), но этот тип электростанций в настоящее время быстро развивается, а их доля в выработке электроэнергии растет. На современных крупных ветроэлектростанциях используются ветряные турбины с генераторами мощностью от 0,6 MW до 6 MW, и все чаще предпочитаются более мощные агрегаты. Эта тенденция наглядно иллюстрируется ростом средней мощности ветроагрегатов, устанавливаемых на новых ВЭС. В качестве примера на рис. 6.5.1 приведены данные о росте средней мощности ветроагрегатов, установленных в Германии начиная с 1987 года. Однако сооружаются и меньшие ВЭС, на которых мощность ветроэлектроагрегатов может быть значительно ниже (даже до нескольких киловатт). 
Рис. 6.5.1. Рост средней мощности ветроагрегатов, установленных в Германии, по годам с 1987 года [6.3] Количество ветроагрегатов на ВЭС находится обычно в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен, но существуют также одноагрегатные ВЭС. Так как ротор ветряной турбины вращается относительно медленно (от нескольких оборотов до нескольких десятков оборотов в минуту), то в ветроагрегате между турбиной и генератором обычно установлен редуктор (рис. 6.5.2,a), но по соображениям повышения надежности и упрощения эксплуатации могут использоваться и безредукторные агрегаты с многополюсными тихоходными генераторами (рис. 6.5.2,b). 
Рис. 6.5.2. Принцип устройства редукторных (a) и безредукторных (b) ветроагрегатов. G генератор, R редуктор Так как оптимальная частота вращения турбины зависит от силы ветра, то и частота вращения генератора ветроагрегата изменяется во времени и не соответствует постоянной частоте электрической сети. С учетом этого обстоятельства, для соединения ВЭС с сетью в настоящее время находят применение главным образом три вида генераторов:
Рис. 6.5.3. Ветроагрегат с короткозамкнутым асинхронным генератором. 1 ротор турбины, 2 редуктор с регулируемым передаточным числом, 3 генератор, 4 электрическая сеть, 5 конденсаторная батарея для генерирования реактивной мощности 
Рис. 6.5.4. Ветроагрегат с асинхронным генератором, имеющим фазный ротор. 1 ротор турбины, 2 редуктор, 3 генератор, 4 электрическая сеть, 5 преобразователь частоты 
Рис. 6.5.5. Безредукторный ветроагрегат с тихоходным синхронным генератором. 1 ротор турбины, 2 генератор, 3 преобразователь частоты, 4 электрическая сеть, 5 выпрямитель для питания обмотки возбуждения генератора Так как сила ветра колеблется в больших пределах как в течение года, так и в течение суток, то ВЭС не могут работать длительно с полной нагрузкой, как, например, атомные электростанции. Обычно эквивалентное время использования номинальной мощности ВЭС находится, в зависмости от географического местоположения, в пределах от 1500 h/a до 3000 h/a, но имеются и регионы, например, в Калифорнии (California, США), где этот показатель доходит до 4000 h/a. Стоимость сооружения ВЭС за последние 10 лет существенно снизилась и в настоящее время сравнима со стоимостью топливосжигающих электростанций или даже ниже. В 2005 году она составляла от 900 €/kW до 1150 €/kW, благодаря чему и себестоимость электроэнергии, получаемой от ВЭС, приближается к себестоимости электроэнергии теплоэлектростанций. В последнем обзоре по использованию возобновляемых энергоресурсов мира [2.13] себестоимость электроэнергии на ВЭС с агрегатами мощностью от 1 MW до 3 MW находится в пределах от 0,03 €/kWh до 0,06 €/kWh. Исходя из срока службы ветроагрегата (от 20 до 30 лет) вычислено, что в течение своего срока службы ветроагрегат дает от 60 до 80 раз больше энергии, чем было затрачено на его изготовление. Благодаря всему этому мощность ВЭС во всем мире растет очень быстро (см. рис. 6.5.6) и в программе WindForce 12 (‘Сила ветра 12’) [6.4] прогнозируется, что к 2020 году их доля в мировой выработке электроэнергии достигнет 12 %. Можно отметить, что суммарная мощность ВЭС растет фактически несколько быстрее, чем предполагалось по прогнозам Европейской ассоциации по ветроэнергетике (European Wind Energy Association, EWEA) [6.5, 6.6]. 
Рис. 6.5.6. Рост суммарной мощности ВЭС в мире (на конец каждого года)Мощность наиболее крупных ВЭС в настоящее время находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мегаватт, и в конце 2007 года в мире было уже более 40 ВЭС, мощность которых превышала 100 MW. Составлены также проекты на сооружение ВЭС мощностью более 1000 MW. В таблице 6.5.1 представлены данные о 10 наиболее крупных ВЭС мира на начало 2008 года. 
В Эстонии на 1 апреля 2008 года имелось 7 ВЭС мощностью более 100 kW (см. рис. 2.7.1), основные данные которых представлены в таблице 6.5.2. 
Изменчивый характер ветра (от безветрия до шторма) с внезапными спадами и повышениями приводит к большим колебаниям мощности, отдаваемой в сеть ветроэлектростанциями. В энергосистеме эти колебания и внезапные спады должны компенсироваться другими электростанциями. Лучше всего это осуществляется гидроэлектростанциями (включая ГАЭС), но в энергосистемах, где мощность ГЭС для этой цели недостаточна, могут возникать существенные затруднения. Поэтому суммарная мощность ВЭС в конкретной энергосистеме обычно имеет некоторое максимально допускаемое значение, которым в настоящее время считается приблизительно 30 % от всей мощности системы [6.5]. Эта проблема могла бы решаться при помощи аккумуляторов энергии, (электрических аккумуляторов, подземных резервуаров сжатого воздуха, производством водорода в электролизных установках и т. п.). В настоящее время ведутся поиски экономически приемлемых систем аккумулирования энергии. Чтобы улучшить возможности параллельной работы ВЭС с другими электростанциями энергосистем, планируется объединение всех сооружаемых мощных морских и прибрежных ВЭС Западной Европы в одну ветроэнергетическую систему, в которой колебания мощности отдельных ВЭС могли бы друг друга компенсировать. Такая система работала бы с намного более равномерной мощностью и не вызывала бы, следовательно, таких проблем при параллельной работе с другими энергосистемами, как отдельные ВЭС. Данные о мощности ветряных электростанций в странах мира, в наибольшем объеме использующих энергию ветра, приведены на рис. 6.5.7, а мощность ВЭС на душу населения – на рис. 6.5.8 [6.5]. 
Рис. 6.5.7. Мощность ВЭС в конце 2007 года в странах, обладающих по меньшей мере 2 % суммарной мировой мощности ВЭС Рис. 6.5.8. Мощность ВЭС на душу населения в конце 2007 года. Представлены страны, где этот показатель по меньшей мере в два раза превышает среднемировое значение Первую в мире ветроэлектростанцию соорудил в 1888 году американский изобретатель и предприниматель Чарлз Френсис Браш (Charles Francis Brush, 1849–1929) в Кливленде (Cleveland, штат Огайо) для электропитания своего дома. Станция состояла из 144-лопастной ветряной турбины диаметром в 17 m, двухступенчатой зубчатой передачи, генератора постоянного тока мощностью 12 kW и аккумуляторной батареи и действовала безотказно 20 лет. В 1897 году преподаватель Асковского народного университета (Askov, Дания), метеоролог Поуль ля Кур (Poul la Cour, 1846–1908) построил ВЭС мощностью приблизительно 5 kW, состоявшую из двух похожих на ветряные мельницы ветроагрегатов, и использовал ее для получения водорода путем электролиза воды (водород он использовал для газовых ламп своего учебного заведения). Он стал подробно изучать технические свойства ветряных турбин, пропагандировал применение ветряной энергии и основал первый в мире журнал по ветроэнергетике. В результате этого в начале 20-го века в Дании началось широкое применение ветроэлектроагрегатов мощностью от 20 kW до 35 kW, и в 1918 году в этой стране действовало уже 120 таких агрегатов общей мощностью 3 MW. Для получения переменного тока в Германии в 1922 году стали оборудовать ветроэлектроагрегаты асинхронными генераторами. В 1930-х годах в мире было построено несколько опытных ветроагрегатов мощностью до 100 kW. Однако по своим технико-экономическим показателям ВЭС тогда еще не могли конкурировать с более мощными тепло- и гидроэлектростанциями, вследствие чего до 1970-х годов они не находили сколько-нибудь широкого применения. Положение изменилось в 1973 году, когда разразился всемирный энергетический кризис, вызванный внезапным удорожанием нефти и нефтепродуктов, а также других видов топлива. Чтобы исследовать возможности и координировать усилия по применению альтернативных энергоресурсов, в том числе ветра, в разных странах были созданы соответствующие правительственные или поддерживаемые правительствами центры. В США, например, уже в 1973 году учредили энергетический департамент (Department of Energy, DOE), а в 1974 году – Американскую ассоциацию ветроэнергетики (American Wind Energy Association, AWEA). Первая в мире государственная программа по возрождению и развитию ветроэнергетики была принята в 1976 году в Дании. В США были предложены настолько льготные условия для сооружения ВЭС и для выработки ветроэлектроэнергии, что во многих штатах, и прежде всего в Калифорнии (California), с 1980 года началось почти лихорадочное строительство ВЭС. В 1985 году в Калифорнии имелось уже более 100 различных ВЭС с ветроагрегатами мощностью от 25 kW до 250 kW, а мощность некоторых ВЭС превышала 100 MW. В 1982 году была создана Европейская ассоциация ветроэнергетики (European Wind Energy Association, EWEA), и в 1985 году началось быстрое техническое развитие ветроэнергетических установок во всем мире. В Эстонии первая ВЭС, отдающая электроэнергию в сеть (мощностью 150 kW), была сооружена в 1997 году на полуострове Тахкуна (Tahkuna) на острове Хийумаа (Hiiumaa); в 2001 году была создана Эстонская ассоциация ветроэнергетики. Можно отметить, что с 1986 года по 1990 год в селе Вятта (Vätta) на острове Сааремаа (Saaremaa) работала опытная ВЭС Института ветроэнергии СССР, на которой испытывались различные ветряные турбины мощностью от 4 kW до 30 kW российского производства. В 1989 году суммарная мощность ветроагрегатов составляла 346 kW, в связи с чем эта ВЭС в то время являлась крупнейшей в СССР. жүктеу/скачать 1.41 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
