Вітротурбінна теплоелектростанція — Вікіпедія
Вітротурбінна теплоелектростанція (англ. Wind Turbine Heat and Electrical Power Station або Wind Turbine Thermal & Electrical Power Plant) — система електро- й теплопостачання населених пунктів, промислових та агропромислових об'єктів, заснована на виробництві електричної енергії вітровими турбінами, виробництві та акумулюванні теплової енергії у вітряну погоду шляхом електричного нагріву великого об'єму теплоносія, збереженні тепла у термоізольованих резервуарах з наступним використанням для теплопостачання та гарячого водопостачання будівель та споруд протягом доби при відсутності вітру.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b1/%D0%92%D1%96%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D1%96%D0%BD%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F_-_1.jpg/447px-%D0%92%D1%96%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D1%96%D0%BD%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F_-_1.jpg)
До конструкції вітротурбінної теплоелектростанції як системи теплопостачання можна поставити наступні узагальнені вимоги: збирання енергії з потоків повітря та перетворення його у кінетичну енергію ротора; перетворення механічної енергії ротора в електричну енергію; постачання електричної енергії в електричну мережу; транспортування частини електричної енергії до акумулятора тепла; перетворення електричної енергії у Джоулеве тепло; зберігання теплової енергії в акумуляторі тепла; постачання теплової енергії та гарячої води з акумулятора тепла до споживачів; агрегатування систем різної потужності; наближення системи виробництва електричної та теплової енергії до місць споживання; технічна сумісність технологій з іншими технологіями відновлюваної енергетики; універсальність (можливість використання теплової енергії для промислових та побутових цілей); відповідність технологій вимогам безпеки для людей та довкілля.
Структурна та конструкційна схеми вітряної теплоелектростанції включають вітроагрегат WA (вітроенергетичну установку WT), електричний адаптер EA, електричну мережу EN, газовий бойлер GB, об'єкт теплопостачання (опалювані будівлі та споруди) BDG, електричні нагрівачі ЕH, акумулятор тепла TS, теплообмінники ТE, пункт теплової енергії TP. Вітроагрегат WA у свою чергу, включає ротор турбіни WTR та вітрогенератор WG (електрогенератор). Принцип роботи вітротурбінної системи теплопостачання заснований на виробництві та акумулюванні теплової енергії у вітряну погоду шляхом електричного нагріву великого об'єму теплоносія, збереженні тепла у термоізольованих резервуарах з наступним використанням для теплопостачання та гарячого постачання будівель та споруд протягом доби при відсутності вітру. Виробництво, накопичення, зберігання та постачання електричної та теплової енергії відбуваються поетапно. На першому етапі кінетична енергія молекул рухомого повітря KE-AM перетворюється у механічну кінетичну енергію рухомого елемента KE-WTR (ротора вітрової турбіни WTR), сформованого з декількох лопатей. На другому етапі електродинамічна система вітрогенератора WG перетворює механічну енергію ротора вітрової турбіни KE-WTR в електричну енергію ЕЕ. Параметри електричного струму EC доводяться в електричному адаптері EA до значень, придатних для постачання в електричну мережу EN і транспортування до акумулятора тепла TS. При роботі вітротурбінної теплоелектростанції в режимі постачання електричної енергії ЕЕ в електричну мережу вся вироблена електрична енергія ЕЕ спрямовується в електричну мережу EN. При роботі вітротурбінної теплоелектростанції в режимі постачання теплової енергії вся електрична енергія ЕЕ транспортується до акумулятора тепла TS. На 3-му етапі при проходженні струму через електричні нагрівачі ЕH виділяється Джоулева теплота, що нагріває теплоносій (наприклад, воду) в акумуляторі тепла. Накопичення тепла відбувається до того часу, поки температура теплоносія в резервуарах досягне необхідного рівня. З цього моменту вітроенергетична установка автоматично переключається на виробництво електроенергії для внутрішніх потреб господарства, або ж передається у загальну електричну мережу EN. У подальшому акумульована теплова енергія THE у разі необхідності може поступово відбиратись з акумулятора TS за допомогою теплообмінників ТE для обігріву приміщень та гарячого водопостачання.
Основними складовими частинами конструктивної схеми вітряної системи теплопостачання будівель та споруд є вітрова турбіна WT, акумулятор тепла TS, електричний адаптер EA та пункт теплової енергії TP. З метою запобігання надмірному завищенню потужності вітрової теплоелектростанції вона може бути комбінована з газовим бойлером GB. У якості вітроенергетичної установки звичайно застосовується конструкція з горизонтальною віссю обертання ротора, яка включає ротор з лопатями, трансмісію, електрогенератор, що закріплені на вершині вежі. Акумулятор тепла TS є термоізольованим резервуаром з теплоносієм, наприклад, рідиною HTF, яка характеризується необхідними фізико-хімічними параметрами: температурою кипіння, теплоємністю та/або високим значенням ентальпії фазового переходу. У якості теплоносія може використовуватись також тверда речовина, наприклад, (залізо)бетон. До складу акумулятора тепла також входять електричний нагрівачі ЕH та теплообмінники ТE. Відстані між вітроенергетичною установкою WT та акумулятором тепла TS, між акумулятором тепла TS та будівлями (спорудами) BDG визначаються особливостями забудови, наявністю вільного простору для розташування, кліматичними умовами використання та іншими факторами. Певний виграш в енергоефективності можна отримати при близькому розташуванні вітротурбінної системи теплопостачання та будівель. Якщо така можливість виключається, може бути застосована трубопровідна система теплопостачання від акумулятора тепла до будівель та споруд.
Зміщення напряму застосування вітротурбінних технологій у бік переважного виробництва тепла потребує зміни архітектури побудови вітроенергетичних систем. У значній мірі змінюються також конструкції окремих складових частин вітроенергетичних систем, а деякі базові елементи мають бути створені заново, що зветься, «з нуля». Виконання проектів вітрових теплоелектростанцій має обов'язково відбуватись з урахуванням їх районування, одні підходи мають застосовуватись при інтеграції теплових станцій з існуючими будівлями та спорудами, і зовсім інші підходи мають використовуватись при зведенні термальних станцій для енергозабезпечення новобудов. Але як у першому, так і в другому випадках мають дотримуватись вимоги збереження місцевої флори та фауни, попередження тяжких екологічних наслідків.
Вітряна теплоелектростанція підвищеної потужності звичайно комбінується з газовим бойлером. Вона включає вітроенергетичну установку WT,
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/67/%D0%92%D1%96%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D1%96%D0%BD%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F_-_2.jpg/482px-%D0%92%D1%96%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D1%96%D0%BD%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F_-_2.jpg)
електричний адаптер EA, акумулятор тепла TS підземного розташування та резервну котельну, наприклад, на природному газу GB. Акумулятор тепла складається з термоізольованих резервуарів Res1, Res2, Res3, наповнених теплоносієм. Нагрів теплоносія забезпечують електричні нагрівачі EH, які живляться від електричного адаптера EA. Постачання тепла та гарячої води споживачам забезпечується за допомоги теплообмінників TE. Автономна вітротурбінна система теплопостачання (вітрова теплоелектростанція) може працювати в двох режимах: генерації електричної енергії EE і поставки її в електричну мережу EN; генерації теплової енергії THE і поставки її споживачам. Резервуари-ємності Res1, Res2, Res3 розташовують у чистих, сухих приміщеннях цоколя будівлі, або ж на відкритому повітрі. Такий тепловий акумулятор накопичує тепло, не порушуючи природний баланс, який склався у певному екологічному середовищі: під землею, в повітрі чи у водоймі. У режимі теплопостачання використовується вторинний теплообмінний контур ТE, який за рахунок циркуляції свого теплоносія (наприклад, води) відбирає накопичену в акумуляторах теплову енергію THE і поставляє її споживачам. В якості вторинного контуру ТE для відбору тепла можуть бути використані конструктиви теплового насоса, звичайно, з деякою корекцією.
Акумулятор тепла є резервуаром (декількома резервуарами) з робочою рідиною, яка характеризується високою питомою теплоємністю, чи великим значенням ельтальпії фазового переходу. У спрощеному вигляді такою робочою рідиною може бути вода. При більш прискіпливому підході у якості теплоносія використовуються розчини солей, які мають вищу точку кипіння та більшу питому теплоємність. Питомою теплоємністю зветься відношення кількості теплоти, що поглинається одиницею маси тіла (речовини) при нескінченно малій зміні його температури, до величини зміни температури [ккал/(кг·град)]. Кількість теплоти, поглинутої тілом, залежить від способу нагрівання тіла та його температури. Розрізняють теплоємність при постійному об'ємі і температурі та при постійному тиску. При нагріванні при постійному тиску частина теплоти йде на виконання роботи розширення тіла, а частина — на збільшення його внутрішньої енергії, тоді як при нагріванні при постійному об'ємі вся теплота витрачається лише на збільшення внутрішньої енергії. Акумулятор тепла у більшості випадків є термоізольованою ємністю-цистерною, виконаною у вигляді судини Дюара. Він також може складатися з декількох резервуарів. Кожен з таких резервуарів призначений для зберігання теплоносія із різною температурою. Упорядкований теплообмін між різними об'ємами теплоносія, що знаходяться у різних резервуарах, виконується за допомогою системи трубопроводів. Нагрів теплоносія у резервуарах проводиться циклічно, по мірі зростання вітрових потоків. Тепло, накопичене в резервуарах акумулятора, у подальшому використовується для обігріву помешкань, гарячого водопостачання чи інших цілей. Система акумуляції тепла може бути виконана у наземному та підземному варіантах розташування резервуарів-накопичувачів теплоносія. Вибір тієї чи іншої конструкції обумовлюється конкретними задачами, що вирішуються при створенні теплової системи.
Акумулятори тепла на основі теплоносія — води (Н2О). Питома вага — 1000 кг/м3. Питома теплоємність — 4,2 кДжхкг−1хК−1. Питома теплота плавлення криги — 335 МДж/м3. Кількість тепла, що накопичується водою об'ємом при нагріванні з до — 4,2 кДж/(кг·К) ·1000·500C = 210 МДж·м−3. Проблема використання та зберігання великих об'ємів води може спровокувати розвиток бактерій чи флори (грибків), які призводять до гниття при недотриманні певних санепідеміологічних вимог.
Акумулятори тепла на основі використання ентальпії фазового переходу. Більш раціонально вирішувати питання акумулювання тепла не нагрівом теплоносія до певної температури, а використанням фізико-хімічних особливостей фазового переходу речовини з одного агрегатного стану в інший.
Вода — крига. Питома теплота плавлення криги — 335 МДж/м3. Кількість тепла, яка необхідна для плавлення криги у воду, майже еквівалентна кількості тепла для нагріву води з 00С до 800С. При нагріванні води з 00С до 800С акумулюється 4,2 [кДж/(кг·К)]·1000·800C = 336 МДж·м−3. При кристалізації води об'ємом виділяється аналогічна кількість тепла, яка поглинається при плавленні — 335 МДж. Для порівняння, при нагріві води з до акумулюється 4,2 [кДж/(кг·К)]·1000· = 210 МДж·м−3.
Парафіни C25H52. Температура плавлення — . Теплоємність — (2,14…2,9) кДж·кг−1·К−1. Вартість — 1,0US$/кг.
Сульфат натрію Na2SO4 (глауберова сіль) та десятиводний сульфат натрію Na2SO4x10H2O. Кожна молекула сульфату натрію Na2SO4 зв'язує 10 молекул води. При зростанні температури сульфат натрію розчиняється у своїй воді з поглинанням тепла. При температурі +320С він плавиться. При охолодженні нижче цієї температури він кристалізується і віддає тепло. Теплота кристалізації - 1387 кДж/моль. Вартість — 0,25US$/кг. розчину дозволяє акумулювати 7,2 ГДж тепла.
Нітрит-нітратні суміші натрію та калію. У теплових акумуляторах використовуються суміші NaNO3, NaNO2, KNO3 та KNO2. Вони плавляться при високій температурі та дозволяють нагрівання до (500…540)0С.
Нітрат натрію NaNO3. Ентальпія фазового переходу складає 468 кДж/моль, питома теплоємність — 117 кДж·моль−1·К−1, маса молекули — 84,99 а.о.м, кількість молів в — 11,8.
Нітрит натрію NaNO2. Ентальпія фазового переходу складає 359 кДж/моль, питома теплоємність — 117 кДж·моль−1·К−1, маса молекули — 69 а.о.м, Кількість молів в = 14,1.
Нітрат калію KNO3. Маса молекули - 101 а.о.м. Кількість молів в = 9,67.
У якості теплоносія використовуються також суміші NaNO3 (60 %) + KNO3 (40 %): питома вага — 2,1 кг/см3; температура плавлення — температура кипіння — , при нагріві до проходить реакція 2KNO3 = KNO3 + О2.
В концентраторних електростанціях США апробуються різні концентрації нітрат-нітринної суміші з добавленнями консервантів. Наприклад, в експериментальній сонячній електростанції межового типу Solar Two суміш плавилась при температурі 2210С і нагрівалася до температури 5660С.
Кожна з трьох теплових СЕС Andarsol потужністю 50 МВт, які збудовані в Іспанії фірмами Solar Millennium AG та FlagSol GmbH, використовує для накопичення тепла дві ємності об'ємом . Температура холодного резервуару — , гарячого — .
Обігрів житлового масиву у Нижній Австрії здійснюється за допомогою акумулятора тепловою ємністю 7200 ГДж. При використанні у якості теплоносія води об'єм резервуара склав би .
З метою досягнення максимальної енергефективності при створенні вітряної теплоелектростанції мають бути використані інноваційні підходи побудови окремих її складових частин, а також знайдені рішення раціонального інтегрування елементів у загальну схему. З такими суттєвими поліпшеннями новітня вітротурбінна система теплопостачання повністю відповідатиме екологічним та економічним вимогам. Зокрема, у ній використовується екологічно безпечний технологічний процес «збирання» лопатями вітрової турбіни енергії вітру, на певній відстані від землі. При комбінуванні з іншими енергетичними технологіями, заснованими на спалюванні органічного палива, вітрові системи можуть ефективно забезпечувати теплом житлові будівлі, комунальну інфраструктуру населених пунктів, а також технологічні процеси промислових та агропромислових об'єктів.
Принципи побудови базової схеми можуть бути застосовані для створення вітроенергетичних систем теплопостачання різної потужності. В залежності від призначення вітротурбінні системи теплопостачання характеризуються різними енергетичними параметрами.
Ключовими параметри і характеристики вітряної теплоелектростанції є: сумарна потужність вітрового потоку Pwpp; сумарна електрична потужність вітрових агрегатів (ВЕУ) PWPP-EL; електрична потужність одного вітроагрегату PWA-EL; кількість вітрових агрегатів NWA; сумарна площа обхвату вітрових турбін АWPP; площа охвату однієї вітротурбіни АWT; час повного термодинамічного циклу, протягом якого ведеться неперервне телопостачання tHS; тривалість вітру tWPP; коефіцієнт використання відновлюваної енергії потоку повітря ζWD (коефіцієнт корисної дії вітрової турбіни kWT), ζWD = kWT; коефіцієнт корисної дії вітрогенератора (електрогенератора) kWG; коефіцієнт корисної дії вітроагрегату (ВЕУ) kWA; кількість ЕWPP-EL та вартість PPRΣ річного виробітку електричної та теплової енергії; ціна 1 кВт·год pPR (US$/кВт·год); маса mHTF та об'єм VHTF теплоносія (наприклад, води) в акумуляторі тепла; питома теплоємність теплоносія cHC; сумарна теплоємність теплоносія в акумуляторі тепла QTS; різниця кінцевої і початкової температур теплоносія ΔT.
Базовими показниками котельні на органічному паливі є: середньодобова потужність системи теплопостачання PHS; кількість ЕHSΣ та вартість PPRΣ річного виробітку теплової енергії; ціна одиниці теплової енергії pPR (в US$/кВт·год); коефіцієнт корисної дії котельні kOFF-TH; втрати тепла при транспортуванні від традиційної котельні kTR до споживачів; питома теплотворна здатність органічного палива (природного газу) сOFF = 32,7 МДж/м3; маса MOFF та/або об'єм VOFF органічного викопного палива, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної системи теплопостачання протягом року.
Параметри і характеристики вітрової теплоелектростанції визначаються параметри і характеристиками опалюваних будівель
Параметри і характеристики опалюваних будівель: опалювана площа приміщень будівель SBDG; питома інтенсивність втрат тепла приміщеннями будівель ITHL; втрати тепла приміщеннями будівель протягом доби, місяця, опалювального сезону EBDG. При розрахунках системи теплопостачання основними вихідними даними є місце розташування будівель, наявність інфраструктури, площа прибудинкових територій, площа (об'єм) опалюваних приміщень будівель SBDG та питома інтенсивність втрат тепла приміщеннями будівель ІTHL.
Питома інтенсивність втрат тепла приміщеннями будівель ІTHL визначається як середньостатистичне значення кількості тепла, яке втрачають приміщення будівлі в опалювальний сезон за одиницю часу у розрахунку на 1 м2:
ІTHL = EBDG/(SBDG·Δt) [Вт/м2], де EBDG — втрати тепла приміщеннями будівель (в Дж) протягом певного відрізку часу Δt. Питома інтенсивність втрат тепла приміщеннями будівель ІTHL визначається нормами діючих будівельних стандартів на житлові та нежитлові приміщення. Якщо відомо значення питомої інтенсивності втрат тепла ІTHL, площа (об'єм) опалюваних приміщень будівель SBDG, можна знайти втрати тепла приміщеннями будівель протягом певного часу Δt (доби, місяця, опалювального сезону): EBDG = ІTHL·SBDG·Δt [Дж], Для забезпечення життєдіяльності втрати тепла мають компенсуватись рівнозначними поставками тепла з системи опалення. Таким чином, кількість тепла EHS, яку має виробляти система теплопостачання для покриття втрат тепла приміщеннями будівлі EBDG за той же проміжок часу: EHS = EBDG = ІTHL·SBDG·Δt.
Кількість тепла EHS, яку має виробляти система теплопостачання для покриття втрат тепла приміщеннями будівлі EBDG та в транспортних трубопроводах за той же проміжок часу: EHSΣ = kTR·EHS = kTR·ІEL·SBDG·Δt.
Потужність системи теплопостачання є кількістю тепла, яке виробляє система теплопостачання в одиницю часу, і визначається як відношення кількості виробленого тепла ΔEHSΣ до проміжку часу Δt, протягом якого це тепло вироблене: PHS = ΔEHSΣ/Δt.
Вважаючи проміжки часу Δt однаковими, попереднє рівняння набере вигляду: PHS = kTR·ІTHL·SBDG·Δt/Δt = kTR·ІTHL·SBDG.
Електрична потужність вітрових агрегатів, яка забезпечить цілодобовий обігрів приміщень будівель, знаходиться з умови рівності електричної енергії, яка виробляється вітроагрегатами теплоелектростанції ЕWPP-EL протягом термодинамічного циклу (наприклад, доби) та теплової енергії, яка йде на опалення приміщень будівель: EHSΣ = ЕWPP-EL.
Величини енергії можна виразити через потужності вітрової теплоелектростанції PHS та вітроагрегатів PWPP-EL а також, тривалість термодинамічного циклу tHS та тривалість вітру tWPP, тоді попередній вираз прийме вигляд: PHS·tHS = PWPP-EL·tWPP.
Сумарна електрична потужність вітроагрегатів PWPP-EL
PWPP-EL = (tHS /tWPP)·PHS.
Сумарна потужність вітрових агрегатів PWPP-EL може бути знайдена також через сумарну потужність вітрового потоку PWPP та конструктивні параметри вітрових енергетичних установок: PWPP-EL = kWA·PWPP = kWT·kWG·PWPP = 0,5·kWT·kWG·ρWD·АWPP·vWD3,
де kWA, kWT, kWG — коефіцієнти корисної дії вітроагрегатів, вітротурбін та вітрогенераторів відповідно, kWA = kWT·k WG.
Площа поперечного перерізу повітряного потоку, яка забезпечує електричну потужність PWPP-EL, має вигляд: АWPP = PWPP-EL/(0,5·kWT·kWG·ρWD·vWG3) =
= 2(tHS/tWPP)·PHS/(kWT·kWG·ρWD·vWD3).
Потужність вітрових енергетичних установок обмежена, тож, відбір вітрової енергії з усієї площі поперечного перерізу повітряного потоку можна досягти використанням ряду з NWA вітрових енергетичних установок, кожна з яких має електричну потужність PWA-EL. Обхват вітрової турбіни АWT визначається конструктивними параметрами вітрової турбіни, зокрема, довжиною лопаті (радіусом ротора) RWT:
АWT = π·RWT2.
Кількість вітроенергетичних установок у станції NWA визначається відношенням: NWA = АWPP/АWT.
Радіус ротора вітротурбіни RWT у цьому випадку дорівнює
RWT = √(АWT/π).
Приймаючи сумарну теплоємність теплоносія QTS в акумуляторі тепла рівною кількості енергії, яку виробляє вітрова теплоелектростанція протягом термодинамічного циклу EHSΣ = ЕWPP-EL = QTS, масу (рідинного) теплоносія в акумуляторі тепла можна знайти наступним чином: mHTF = ЕWPP-EL/(cHC·ΔT) = ЕWPP-EL/(cHC·ΔT).
де cHC — питома теплоємність теплоносія, ΔT — різниця кінцевої та початкової температур теплоносія.
Сумарний к.к.д. вітрових теплоелектростанцій (ВТТЕС) у режимі виробництва тепла визначається ефективністю перетворення вітрової енергії в електричну, втратами електричної енергії на шляху при її транспортуванні до накопичувача тепла, втратами теплової енергії в процесі її зберігання, а також втратами енергії на шляху теплоносія до споживача.
Кількість органічного викопного палива (наприклад, об'єм VOFF природного газу) з питомою теплотворною здатністю сOFF, яке потрібно для виробітку тепла EHSΣ, розраховується наступним чином: VOFF = EHSΣ/(kOFF-TH·сOFF), де kOFF-TH — коефіцієнт корисної дії системи опалення на органічному паливі, в енергоефективних системах kOFF-TH = 0,9, теплотворна здатність природного газу сOFF = 32,7 МДж/м3.
- Теплопостачання
- Теплопостачання з відновлюваних джерел енергії
- Багатосекційна вітротурбінна теплоелектростанція
- Вітротурбінна система енергопостачання зерносховища
- Вітротурбінна система енергопостачання теплиці
- Вітротурбінна система енергопостачання фрукто-овочесховища
- ТОВ «Ніжинські лабораторії скануючих пристроїв»
- Сидоров В. І. Вітротурбінні технології та системи теплопостачання / у кн. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.
- Сидоров В. І. Вітрові теплоелектростанції // Промислова електроенергетика та електротехніка. — 2018. — № 1. — С. 28–36.