Актуальность работы связана с необходимостью кардинального повышения автономности, надёжности, экономичности, экологической безопасности энергоснабжения промышленных, технологических и военных объектов и населения в удалённых изолированных пунктах российского Заполярья и Дальнего Востока и отсутствием в России и в мире обоснованных научно-технических эффективных решений проблем автономного энергоснабжения локальных потребителей энергии в арктических условиях. Важность исследования для государства, в случае успеха в решении поставленных в работе задач, в целом связана с возможностью повышения энергетической безопасности и снижения объёмов так называемого «северного завоза».
Практический опыт широкомасштабного эффективного (надёжного и экономичного) использования автономных источников энергоснабжения потребителей на базе совмещения ВЭУ и систем аккумулирования и преобразования энергии на пневматическом принципе в мире в настоящее время отсутствует.
Проведённое авторами исследование нацелено на разработку научных принципов, практических технических решений и опытного образца автономного энергетического комплекса, построенного на базе передовых российских и мировых технологий получения сжатого воздуха с использованием ВЭУ нового типа и его пневматического преобразования, аккумулирования и использования в качестве энергоносителя для гарантированного безтопливного получения электроэнергии и тепла.
Ветровой режим в исследуемых регионах России в данной работе определялся и оценивался теоретически моделированием ВЭП и мощности ВЭУ по данным измерений ветра и термодинамических параметров ПСА на сети государственных метеорологических (числом до 600)и аэрологических (около 60) станций России и бывшего СССР (базовые периоды от 10 до 40 лет)
Основными проблемами и соответственно этапами научно-технического поиска и разработки энергетических источников, предлагаемых авторами, является теоретическое и экспериментальное исследование:
- климатических факторов, ветроэнергетического потенциала (ВЭП) удалённых регионов России применительно к разработке ветроэнергетических установок в северном исполнении и аккумулирующих энергию пневматических систем новых типов и назначения;
- разработка принципиальных схем и технического облика ВЭУ для работы в суровых российских климатических условиях;
- поиск и разработка принципиальных и технических схем высокоэффективных систем и прогрессивных технологий получения сжатого воздуха и его пневматического преобразования, аккумулирования и использования в качестве эффективного энергоносителя для получения электроэнергии и тепла;
- техническое подтверждение возможности практической реализации теоретически полученных научно-технических принципов на основе разработки функциональной схемы и создания опытного образца энергетического комплекса электрической мощности 8-10 кВт;
- технико-экономического обоснование инвестиций перспективных схем энергоснабжения на разработанных принципах в изолированных пунктах российского Севера и Дальнего Востока с учётом установленных в работе местных ветроклиматических факторов и параметров энергоснабжения;
- определения объёмов рынка сбыта разработанного энергокомплекса.
Эффективность и достоверность достижения целей настоящей работы обеспечивается использованием максимально эффективных и достоверных методик определения климатических характеристик ВЭП и эффективности ВЭУ в северных и дальневосточных регионах России и выбором на этой основе оптимального состава и параметров (типоразмеров, мощности, ёмкости, конструкционных особенностей, ремонтопригодности и пр.) автономного энергокомплекса на базе ВЭУ и аккумулирующих энергию устройств с использованием сжатого воздуха в качестве энергоносителя.
В ходе работы авторами были получены следующие результаты. Применительно к определению технических требований к ВЭУ и системам аккумулирования сжатого воздуха проведена разработка методик моделирования временной и пространственной изменчивости ВЭП в полярных районах. Разработанные методики определения временной краткосрочной (масштабов от нескольких минут до суток) и сезонной и пространственной (территориальной и высотной) изменчивости и модели ветроклиматических условий и ВЭП в опорных пунктах российского Заполярья и Дальнего Востока основаны на физико-статистическом моделировании на базе комплексного использования данных о пограничном слое атмосферы (давлении, температуре, плотности, влажности, ветре, турбулентности, опасных для техники метеорологических явлениях и пр.) и геофизических характеристиках Земли (рельефе, подстилающей поверхности, грунтах, вечной мерзлоты и пр.), полученных и получаемых в ходе многолетних сетевых и специальных краткосрочных метеорологических, аэрологических (шаропилотных), спутниковых, экспедиционных геологических и геофизических изысканий [1, 2].
На базе разработанной методики в исследуемых пунктах определены ветроклиматические условия функционирования и технические характеристики и требования к базовым ВЭУ, а также определены с учётом графиков нагрузки необходимые объёмы и технические параметры системы аккумулирования сжатого воздуха и компрессорных установок
Ветровой режим в исследуемых регионах России в данной работе определялся и оценивался теоретически моделированием ВЭП и мощности ВЭУ по данным измерений ветра и термодинамических параметров ПСА на сети государственных метеорологических (числом до 600) и аэрологических (около 60) станций России и бывшего СССР (базовые периоды от 10 до 40 лет), а также специализированных под задачи ветроэнергетики краткосрочных (за один-два года) трёхуровневых измерений на метеорологических мачтах в высотном диапазоне 10-60 м (ветровой разведки) в отдельных пунктах России [2].
Разработанные методики обеспечивают теоретическое высокоточное (с погрешностью не более 15-18 %) моделирование параметров ВЭП в любой заданной координатной точке на территории российского Заполярья и определение параметров временной изменчивости с масштабами от нескольких минут до сезонных и межгодовых. Методики отлажены и апробированы на примере важнейших опорных пунктов российского Заполярья: Тикси, Певек, мыс Шмидта, Анадырь. Для примера на рис. 1 и 2 приведены графики рассчитанных средних многолетних сезонных вертикальных профилей и функций распределения скоростей ветра в районе посёлка Тикси, а также результаты исследования кратковременных (с минутным и суточным масштабами) пульсаций скоростей ветра.
На базе разработанной методики в исследуемых пунктах определены ветроклиматические условия функционирования и технические характеристики и требования к базовым ВЭУ, а также определены с учётом графиков нагрузки необходимые объёмы и технические параметры системы аккумулирования сжатого воздуха и компрессорных установок для прототипа автономного энергетического комплекса гарантированного безтопливного получения электроэнергии и тепла с использованием сжатого воздуха как энергоносителя.
Основными результатами и выводами этапа разработки методики моделирования и определения с её помощью пространственно-временной структуры ВЭП и климатических условий функционирования заполярных источников гарантированного энергоснабжения (ИГАЭС) на базе ВЭУ и систем аккумулирования сжатого воздуха, а также конструкционно-технических требований к ним явились:
1. ВЭП в большинстве рассмотренных пунктов (Диксон, пос. Тикси, Певек, мыс Шмидта, Анадырь) достаточен по международным критериям для эффективного промышленного освоения. Среднегодовые скорости и удельные мощности ветра в районе ряда портов Северного морского пути составляют от 7 до 9 м/с и от 550 до 900 Вт/м2, соответственно, а годовое число часов работы с номинальной мощностью наиболее совершенных в настоящее время ВЭУ при этом может достигать 3000-3600.
2. Для разработки заполярных ИГАЭС требуется создание специализированных под северные ветроклиматические и геофизические условия (низкие температуры, высокая турбулентность, вечная мерзлота и пр.) отсутствующих в настоящее время ветроэлектрических установок и технологий работы с ними.
3. Функции вероятности распределения ветра по скоростям, установленные в работе статистическим анализом временных рядов многолетних метеорологических и аэрологических четырёх и восьми срочных сетевых измерений и краткосрочных данных ветровой разведки с 10-минутным разрешением, позволили с высокой достоверностью установить длительность интервалов с достаточной мощностью ветра, а также периодов безветрия и слабого ВЭП (менее потребляемой мощности ИГАЭС с длительностью, варьирующейся вдоль побережья морей Северного Ледовитого и Тихого океанов и в разные сезоны от 36 до 72 ч).
В плане разработки физических принципов, принципиальных схем ИГАЭС и определение технических параметров её элементов и требований к ним проведены следующие работы по разработке принципиальной схемы ИГАЭС на базе ВЭУ и систем аккумулирования, подачи и преобразования энергоносителя — сжатого воздуха и получены следующие результаты:
1. На основе анализа графиков потребления электроэнергии и тепла промышленными и жилыми объектами российского Заполярья установлены критерии оценки энергетической эффективности и требования к техническим и энергетическим характеристикам источников гарантированного энергоснабжения в целом и их принципиальным составляющим.
2. Разработаны идеологическая основа, физические принципы и принципиальная схема функционирования ИГАЭС на базе ВЭУ и пневматического преобразования энергии ветра в электроэнергии и тепло и поэлементный её состав (табл. 1).
3. Определены основные физико-технические и энергетические параметры основных компонент (технические характеристики и мощности ветроэнергетической установки, необходимые объёмы системы аккумулирования, технических параметров пневмодвигателя и электрогенератора) прототипа ИГАЭС.
4. Выполнен информационный поиск аналогов отдельных элементов, составляющих основу ИГАЭС (ВЭУ, воздушных компрессоров различного типа, газгольдеров высокого давления, регулирующей давление аппаратуры, пневмодвигателей поршневого и турбинного типа, электрических генераторов, систем преобразования и контроля качества электроэнергии и пр.), и проведён анализ их энергетических характеристик и оценки возможных потерь в каждом из них и их совокупности в целом [4-6].
Для разработки заполярных ИГАЭС требуется создание отсутствующих в настоящее время ВЭУ, специализированных под схему ИГАЭС (высокий развиваемый момент и избыточная мощность), допускающих возможность строительства и обладающих высокой технической готовностью, эксплуатационными и ремонтными характеристиками в условиях российского Заполярья
На основе проведённого информационного анализа было установлено:
1. Разработанные аналоги предлагаемой схемы ИГАЭС отсутствуют. Аналоги составляющих основу ИГАЭС отдельных элементов (ВЭУ, компрессоров, газгольдеров и редукторов высокого давления, пневмодвигателей, электрогенераторов и пр.) разработаны и производятся, разнообразно и широко (по типоразмерам, конструкции, энергетической эффективности и ценам) представлены на рынке, и могут быть использованы для разработки прообраза ИГАЭС. Возможные варианты их типоразмеров, состава и компоновки в прообразе ИГАЭС многочисленны и допускают большие возможности для энергетической и экономической оптимизации.
2. Для разработки заполярных ИГАЭС требуется создание отсутствующих в настоящее время ВЭУ, специализированных под схему ИГАЭС (высокий развиваемый момент и избыточная по сравнению с потребляемой мощность), допускающих возможность строительства и обладающих высокой технической готовностью, эксплуатационными и ремонтными характеристиками в условиях российского Заполярья (низкие температуры, высокая удельный импульс и порывистость ветра, вечная мерзлота и пр.).
3. Мощность ветроэлектрической установки и системы аккумулирования, подачи и преобразования энергоносителя для ИГАЭС (сжатого воздуха) должны обеспечивать гарантированную выработку электроэнергии и, по возможности, тепла по заданному графику нагрузки в течении всего года, в том числе в периоды безветрия и слабого (менее требуемой потребителю мощности) ВЭП с длительностью, варьирующейся для разных пунктов от 36 до 60 часов.
4. Проведённые термодинамические оценки показывают, что потенциальная энергия 1 м3 воздуха, сжатого до давления 100 атм (промышленная технология производства и хранения которого освоена), составляет около 107 Дж (2,8 кВт-ч), а освоенные технологии его преобразования в электроэнергию с КПД порядка 0,7 позволяют получить до 2 кВт-ч.
Как показывают оценки, для ИГАЭС гарантированной мощности 100 кВт объём сжатого до 100 атм воздуха, запасённого на случай 48-часового (двухсуточного) безветрия, составит 2400 м1 2 3 4 5 6 7.
5. Современные компрессорные установки высокого давления, наиболее перспективными из которых для ИГАЭС могут оказаться винтовые, имеют КПД порядка 0,7. Соответственно, минимальная средняя мощность, передаваемая от ВЭУ на вал двигателя компрессора ИГАЭС с гарантированной мощностью 100 кВт, и обеспечивающая покрытие графика нагрузки, должна составлять около 200-220 кВт, а с учётом вероятности длительных затиший и энергетической эффективности ветроэлектрической установки двигатель компрессора должен быть обеспечен примерно полуторакратным запасом мощности, или порядка 300-330 кВт.
6. С учётом предыдущих оценок, установленная мощность ВЭУ в составе ИГАЭС, работающая в качестве механического привода компрессорной установки, для гарантированного покрытия графика нагрузки мощностью 100 кВт должна составлять 900-1000 кВт.
Оценки экономических показателей разработанной схемы ИГАЭС и их сравнения с альтернативными способами энергоснабжения проведены с учётом экономических показателей современных ветроэнергетических технологий [7] на примере посёлка Тикси — одного из основных портов Северного морского пути и перевалочного пункта авиационных сообщения центра РФ с российским
Сибирским и Дальневосточным Заполярьем (рис. 3).
Согласно проведённым оценкам экономических показателей разработанной схемы ИГАЭС и их сравнения с альтернативными способами энергоснабжения, удельные (на 1 кВт установленной мощности) капитальные затраты ИГАЭС на базе ВЭУ с механическим приводом и пневматической аккумуляцией и преобразованием энергии может оказаться примерно на 20-25 % ниже, чем у наиболее часто рассматриваемых ветродизельных комплексов с электрическими аккумуляторами. Удельные капитальные затраты на ИГАЭС предлагаемой авторами схемы окажутся в два-три раза выше, чем у ВДЭК и ГТУ без систем аккумулирования энергии, однако с учётом топливной составляющей последних (от 10 руб. за 1 кВт-ч и выше) во многих пунктах российского Севера и Дальнего Востока себестоимость электроэнергии ИГАЭС может оказаться в полтора-два раза ниже таковой у ДЭС.
В данной НИР получены результаты, подтверждающие перспективность предложенной принципиальной схемы ИГАЭС на базе ВЭС и систем пневматического аккумулирования и преобразования энергии, ввиду этого целесообразно продолжить научно-техническую и конструкторскую разработку схемы ИГАЭС и её экономическому обоснованию
Ввиду полученных в данной НИР результатов, подтверждающих перспективность предложенной принципиальной схемы ИГАЭС на базе ВЭС и систем пневматического аккумулирования и преобразования энергии, представляется целесообразным продолжить научно-техническую и конструкторскую разработку схемы ИГАЭС и её экономическому обоснованию. Для технического подтверждения возможности и практической реализуемости теоретически полученных научно-технических принципов и результатов предлагается разработать экспериментальный образец ИГАЭС электрической мощности 8-10 кВт.
Разработанные в данной НИР результаты обосновывают и подтверждают техническую и экономическую целесообразность создания безтопливного энергоисточника нового типа на базе ВЭУ и систем пневматического аккумулирования и преобразования энергии.
Практическая значимость разработанной и предлагаемой технологии обусловлена следующими возможностями:
- экономии (до 100 %) дизельного топлива и кардинального сокращения объёмов «северного завоза»;
- снижения тарифов на электроэнергию и тепло в изолированных районах Российской Федерации;
- использования российской технологической и производственной базы для серийного выпуска разработанного энергетического комплекса и организация новых высокотехнологичных рабочих мест;
- решения проблемы энергетической безопасности РФ за счёт автономности энергоснабжения на неисчерпаемом ресурсе (воздухе) и импортозамещения дизельных станций;
- решения экологических проблем северных и дальневосточных регионов Российской Федерации.
