Павел Козлов (paul_atrydes) wrote,
Павел Козлов
paul_atrydes

Categories:

Ветряки с водородом 40 лет назад

ЭНЕРГИЮ ВЕТРА — В ДЕЛО

В настоящее время некоторые объекты Министерства обороны СССР, расположенные в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, не подключены к государственным электросетям. Здесь энергия вырабатывается стационарными дизельными электростанциями (ДЭС), работающими на привозном жидком топливе, которое приходится доставлять в больших количествах, используя при этом мощные вертолеты большой грузоподъемности.

Между тем известно, что на Крайнем Севере энергия ветра отличается исключительной силой и стабильностью по сравнению с другими районами страны. Например, в прибрежных районах Арктики от Кольского полуострова до Камчатки рабочие скорости ветра действуют до 7500 ч в году. Подсчитано: расчетная мощность энергии ветрового потока здесь на высоте 70 м составляет 18 млрд. кВт. Наиболее высокие ветроэнергетические показатели характерны для западного сектора Арктики, где среднегодовая скорость ветра достигает 8—9 м/с. Наличие столь мощного природного (возобновляемого, вечного!) энергоисточника открывает новые перспективы в развитии энергетики рассматриваемого региона. При этом очень важно отметить, что энергия ветра в отличие от жидкого топлива сама транспортируется к месту использования.

Превращение ее в качественную электрическую энергию осуществляется при помощи ветроэлектрических агрегатов (ВЭА), отдельные образцы которых в свое время демонстрировались на ВДНХ СССР, и многоагрегатных ветроэнергетических систем (ВЭС). Мощность ВЭА в каждом конкретном случае выбирается в зависимости от суммарной мощности потребления электроэнергии. Выбор их количества и мощности производят с учетом энергетических и технико-экономических показателей. Так, вместо нескольких ВЭА малой мощности рационально использовать один мощный. Необходимо учитывать прочностные характеристики и степень надежности конструкций ветроагрегатов. Например, конструкция ВЭА с ветроколесом (ВК). установленным в проеме мачты-опоры, более совершенна по сравнению с той, где оно консольно закреплено на головке мачты-опоры, так как в последней из-за гироскопических сил возникают колебания и вибрации.

Наибольшую мощность с квадратного километра ветровой зоны можно получить с ВЭА с несколькими ВК, расположенными в проеме мачты-опоры, вдоль ее вертикальной оси. Чем же эта конструкция отличается от существующих? Прежде всего тем, что мачта может поворачиваться в двух опорах и таким образом устраняется большой опрокидывающий момент. Двухъярусная конструкция ВЭА обеспечивает получение удвоенной мощности с единицы площади земной поверхности.

Советские инженеры-изобретатели предложили многороторную (восьмироторную) конструкцию ВЭА (см. рис. 1). Он имеет центральную опору (1), боковые (13) и наклонную опоры (14), опирающиеся на тележки (3), и монорельс (2). Опоры (1) и (13) соединены силовыми ферменными связями (5). На каждой опоре установлены ветроэнергетические роторы (4) — на центральной опоре два, а на боковых — по три. Расположены они вертикально по высоте ВЭА.



С изменением направления ветра ВК с генератором (6) вырабатывают электроэнергию. Она по магистрали (7) поступает к исполнительному механизму (8), который передает крутящий момент опорной тележки (3), сообщая движение всей башне. Исполнительный электродвигатель можно установить на каждой опорной тележке (3). Башня будет поворачиваться до тех пор, пока все ветроэнергетические роторы не установятся нормально к ветровому потоку, ВК системы ориентации (6) встанет во флюгер и перестанет вращаться. Роторы (4), вращаясь, приводят в движение гидрожидкость, которая по силовой гидропередаче (9) (гидравлическая трансмиссия) поступает в гидродвигатель (10), вращающий гидрогенератор (11), вырабатывающий конечный продукт — электроэнергию. Гидродвигатель и гидрогенератор установлены на платформе (12) ВЭА.

Гидравлическая трансмиссия здесь рассматривается как один из вариантов передачи энергии, ибо электроэнергия может быть получена, например, от кинематической связи цепи: ротор — механический редуктор — электрогенератор.

Многороторная конструкция ВЭА позволяет снять больше мощности с единицы площади, и показатель стоимости установленного киловатта и себестоимость выработанного киловатт-часа электроэнергии в несколько раз меньше по сравнению с однороторной конструкцией ветроагрегата. Ожидаемая мощность многороторного ВЭА соответствует 10—20 МВт.

В зонах с высоким ветроэнергетическим потенциалом расчетная скорость ветра на высоте 70 м (оптимальная расчетная высота) может приниматься в пределах 14—18 м/с, при этом расчетная мощность восьмироторного агрегата может соответственно составлять до 20—40 МВт. Мощность, получаемая на 1 кв.км, в среднем составит 3 МВт.

В настоящее время во Всесоюзном ордена Ленина проектно-изыскательском и научно-исследовательском институте «Гидропроект» имени С. Я. Жука Минэнерго СССР проектируется мощный многороторный ВЭА. Намечено также создать ветроводородные электростанции для обеспечения изолированных потребителей, расположенных в труднодоступных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока.

Для определения ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения многороторного ВЭА мощностью 20 МВт за базу сравнения приняли дизельную электростанцию равной мощности. При этом годовой экономический эффект от внедрения каждого ВЭА около 4 миллионов рублей, себестоимость 1 кВт·ч выработанной электроэнергии равна 4 копейкам, что в десять раз ниже, чем у ДЭС; экономия моторного топлива составляет 24 255 т.

Из приведенных показателей следует, что использование в районах Крайнего Севера многороторных ВЭА вместо дизельных электростанций рентабельно и экономически целесообразно. Кроме того, нельзя обойти вниманием и тот факт, что жидкое топливо для ДЭС в отдаленные районы доставляется в бочках из листовой стали и, как правило, они мертвым грузом остаются лежать на месте.

В результате проведенных расчетов оказалось, что для ДЭС мощностью 20 МВт потребуется 350 тыс. бочек емкостью по 200 кг жидкого топлива в каждой. Вес листовой стали на это количество бочек — 14 тыс. т.

Эти и другие цифровые показатели и расчетные данные свидетельствуют о технико-экономическом преимуществе ветроэлектрических установок над ДЭС.

Для бесперебойного электроснабжения изолированных потребителей в период безветрия применяются различные виды аккумулирования (создания запаса) энергии ветра в других видах энергии (механической — накопленной во вращающемся маховике; гидравлической — в специальных водохранилищах; тепловой и др.) для последующего их преобразования в электрический ток. Однако с точки зрения энергетических показателей наиболее предпочтителен и перспективен метод ветроводородного аккумулирования энергии ветра.

Советские специалисты-энергетики, в их числе и авторы данной статьи, предложили несколько вариантов ветроводородного аккумулирования. Один из них — с паротурбинной установкой (рис. 2).



Вырабатываемая ветродвигателем (1) электроэнергия может непосредственно подаваться в сеть потребителя, выпрямляться в преобразователе (2) и поступать в электролизер (3), где под действием постоянного тока вода разлагается на водород и кислород. При этом водорода выделяется в два раза больше, чем кислорода. Полученные газы по газопроводам (4 и 5) поступают в накопительные емкости (6 и 7). Далее водород и кислород по своим газовым магистралям (8 и 9) под давлением поступает в парогенератор (10), куда подается питательная вода по трубопроводу (11). Водород в атмосфере кислорода сгорает в парогенераторе с образованием пара высоких параметров, который приводит во вращение турбину (12) и электрогенератор (13). Полученная электроэнергия поступает в сеть потребления. Следует помнить: электролизеры надо располагать как можно ближе к ВЭА, чтобы свести до минимума потери энергии на участке ветроагрегат — электролизер.

Заметим, что энергетические качества водорода превосходны, ибо он обладает максимальной плотностью энергии на единицу массы среди всех известных энергоносителей — в 4,5 раза превосходящей лучшие сорта антрацита, втрое большей, нежели у бензина, и вдвое — чем у метана.

Кроме генерации электрической энергии в системе предусмотрен отбор пара через коллектор (14) на теплофикацию, что на 20—25 процентов снижает расход сжигаемого топлива. А это особенно важно в условиях сурового Крайнего Севера,

Парогенератор (10) и входящие в него узлы представляют собой весьма компактную конструкцию. Благодаря малым поверхностям и небольшим тепловым потерям с использованием в качестве топлива водородно-кислородной горючей смеси удалось получить хорошую производительность пара (1320—1700 кг/ч) в малом объеме (1,5 л) с высоким КПД (98—99 процентов).

При помощи специальных дозирующих устройств можно регулировать параметры пара в широких пределах. Вместе с тем компактность парогенератора позволяет экономить немалое количество цветного и черного металлов. Процесс получения водяного пара был разработан на уровне мировых достижений и защищен авторскими свидетельствами. Характерно, что паротурбинная установка сможет вырабатывать пар и электроэнергию независимо от ветрового режима.

Система ветроводородного аккумулирования с парогенератором, турбиной и турбогенератором трехфазного переменного тока мощностью 100 кВт прошла стендовые испытания, в результате которых была подтверждена возможность надежного обеспечения потребителей электроэнергией.

Теперь вкратце рассмотрим ветроводородное аккумулирование с электрохимическим генератором (ЭХГ). Какова же суть данного изобретения? Ветроэлектрический агрегат сначала преобразует энергию ветра в электрическую. При этом часть ее отдается непосредственно потребителю, другая — выпрямляется и используется для выработки газов — водорода и кислорода в электролизере, которые оттуда поступают в ЭХГ. Здесь идет электрохимический процесс преобразования химической энергии в электрическую, которая поступает в сеть потребителя.

С точки зрения надежности электроснабжения наиболее ответственных категорий потребителей рационально использовать комбинированную систему ветроводородного аккумулирования с паротурбинной установкой и электрохимическим генератором. Однако в случае выхода из строя паротурбинной установки рационально также предусмотреть систему ветроводородного аккумулирования с дизельным резервом, используя для этого имеющиеся на объектах дизельные двигатели. На наш взгляд, система с дизельным резервом — один из лучших вариантов ветроводородного аккумулирования. Тем более что открывается реальная возможность продления моторесурса дизельных двигателей за счет их работы в резервном режиме.

Немаловажное обстоятельство: процессы производства электроэнергии и пара, осуществленные за счет энергии ветра, протекают без ущерба для окружающей среды, т. е. экологически чисты.

В связи с использованием водорода у некоторых людей возникает «традиционный» вопрос — о степени его опасности, точнее, взрывоопасности при сжигании. Вопреки бытующему мнению при должной подготовке работать с водородом не более, а даже менее опасно, нежели с природным или со сжиженным газом. Нижний предел взрываемости у водорода (4 процента) гораздо выше, чем у бензиновых паров (1.3 процента) или сжиженного газа (2,2 процента). Гораздо выше и предел детонируемости (водород — 18,6, метан — 6,3, нефть — 1,1 процента).

Применение систем ветроводородного аккумулирования знаменует собой новое направление в освоении энергии ветра и в энергетике в целом. Большинство процессов, о которых шла речь, можно автоматизировать, значительно снизив эксплуатационные расходы за счет уменьшения численности обслуживающего персонала.

В заключение хочется отметить, что ветроэлектрические установки, агрегатированные с системами ветроводородного аккумулирования, смогут найти широкое применение не только на объектах Крайнего Севера и Дальнего Востока, но и в других труднодоступных районах страны.

Старший лейтенант-инженер запаса
В. СИДОРОВ,
главный конструктор проекта


Майор технической службы в отставке
В. ПАВЛОВ,
старший инженер


Тыл и снабжение Советских Вооруженных Сил. 1983. № 12.
Tags: Современность, Тыл и снабжение Красной Армии, журналы, экономика и тыл
Subscribe

  • Великий разворот

    3 марта 1968 года на заседании Политбюро ЦК КПСС обсуждался вопрос об усилении идеологической работы, в рамках которого затрагивалась ситуация с…

  • Фильмы хорошие, но нужно расширить и углýбить

    Записка секретаря ЦК КП Украины Ф. Овчаренко в ЦК КПСС о фильме «Освобождение» 7 октября 1970 г. ЦЕНТРАЛЬНОМУ КОМИТЕТУ КПСС Большой интерес…

  • — Пулемётный батальон? За свой счёт.

    Докладная записка группы генералов И. В. Сталину об организации и боевой подготовке частей Красной армии 19 июня 1942г. Совершенно секретно…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 3 comments