Проектиране и изграждане на

Използването на вятъра за получаване на енергия е познато от древността. Благодарение на модерните високо ефективни вятърни турбини-ветрогенератори, цената на вятърната електро-енергия вече е конкурентна на цената тока от електроразпределителните дружества. Но труднопредсказуемостта на вятърното електропоризводство изсква възможности за енергоакумулация на временните излишъци на енергия и последващо електрогенериране от акумулираните излишъци, наричано накратко енерго-регенерация или по-точно електро-регенерация. По този начин енергийната система като цяло ще стане много по-гъвкава и управляема. Още повече, че 1000 MW реакторите на АЕЦ са и без друго системен управленски проблем на енергетиката у нас. И тогава ще има много по-малка необходимост от традиционните горивни (примерно на природен газ) електроцентрали, които да покриват дефицитите на енергосистемата при пиковите й натоварвания. Цените на вятърните турбини варират в широки граници. От 300 евро за киловат на употребявана турбина-ветрогенератор, но в гаранция, до около 1100 евро за нови турбини-ветрогенератори от мегаватовия клас. При сегашните (2012) преференциални изкупни цени на тока от около 10 евроцента за генериран киловатчас, инвестицията се изплаща за максимум 6 години при подходящо място на ветротурбината/ните - ветрогенераторите.

Нашата страна е типичен пример, където вятърната енергия може широко да се използва. А същевременно сме изцяло зависими от вносни първични енергийни горива. Затова въвеждането на електро-регенерация на ветроелектричеството, както и от други ВЕИ, е радикално решение на проблема за гъвкава и леко управляема енергетика.

Електро-регенерацията на част от произведеното електричество от ветрогенераторите може да реши и друг важен системен енергиен проблем. Това е претоварването на преносната електросистема при силни ветрове, когато електропоизводството от вятърните турбини нараства в пъти. Енергоакумулацията, на място, в близост до вятърните генератори, е най-удачното решение за избягване на претоварването на мрежите чрез по-равномерното им натоварване. Използавнето на електро-регенерация е универсално решение, защото то има приложение, както  при големи вятърни паркове, така и при единични вятърни турбини и разбира се - при всякакви други електрогенериращи източници, които генерират ток в условията на излишък за енергосистемата. Електро-регенерацията прави възможно много по-равномерно натоварване на преносната електро-инфраструктура. Спестяват се значителни инвестиции и време за увеличение на максималния й капацитет. И се намаляват електрозагубите при принос и трансформация, защото се оптимизира натоварването на системата.

Електро-регенерацията, при двойното преобразуване на електричеството, с патентованата система, има коефициент на полезно действие над 85%. Електро-регенерационните станции могат да се състоят от отделни модули, всеки в близост до една или група от вятърни турбини, например.

Електро-регенерацията е сравнително ново направление в енергетиката. Ефективните системи са продукти, свързани с ноу-хау, патенти и добре пазени фирмени тайни. Пазарно достъпни са подобни системи, но за малки мощности.

Не всички енергийни монополи желаят регенерационните системи. Те предпочитат да управляват големи енергийни системи, които да са способни да поемат пиковите електропроизводства от ВЕИ. За съжаление не е такъв случаят с нашата страна. При силни ветрове цели ветропаркове в района на Каварна се изключват от енергосистемата. Причината е, че не достига преносен капацитет на мрежата 110 kV в района. За година сега пропускаме над 10% от потенциалната зелена електроенергия, която би могла безпроблемно да бъде произведена от монтираните там вятърни генератори, вместо да бъдат изключвани от диспечерите при силен вятър. Пак по същата причина, присъединяването на нови ветроенергийни мощности в района стана сериозен проблем. А ако те бъдат присъединени процентите ще се увеличат значително над 10. Само от една двумегаватова турбина пропуснататаа печалба  за собственика сега е над 100 000 лева годишно, а системата се лишава от над 500 000 киловат-часа годишно чиста електроенергия, получавана от местни енергоресурси, което се компенсира с енергия от предимно вносни и неприродосъобразни горива. Пропуска се и редукцията на около 400 000 килограма въглероден диоксид (CO₂) със съответните приходи от продажбата, с които да се изграждат нови мощности за природосъобразно електропроизводство и електро-регенерация. А след включване на нови турбини в общините Каварна и Шабла, при същата преносна система, посочените пропуснати ползи ще се увеличават неизбежно.

Най-разпространени ветрови турбини са тези с хоризонтални оси на въртене. Тяхната ефективност е най-висока. За тях ние сме разработили авангардна модулна електро-регенерационна станция (под патентна закрила), която позволява пълно ополозотворяванe в енергийната система на временните излишъци от ветро-електропроизводството.

Турбините с вертикални оси имат ограничено приложение, защото тяхната ефективност е по-ниска. Но те са по-евтини, по-природосъобразни, по-тихи и работят при по-ниски ветроскорости и турбулентен вятър, по-лесни са за обслужване и не изискват устройства за насочване и завъртане срещу вятъра, за разлика от турбините с хоризонтални оси. Патентованата електро-регенерационна станция може да се включва и към вертикални турбини. Видео на един вид от патентованите реактивни вертикални вятърни турбини за ниски ветроскорости може да видите на www.youtube.com/watch?v=h1Hc785gWeo

За всички, големи и малки електроцентрали, работещи с ВЕИ, е задължителен проектът по Наредба 1627 от януари 2008 г. на МИЕ.

За съжаление преобладаващите ветроскрости на нашата територия (и не само у нас) са ниски до средни и затова конвенционалните вятърни турбини не са ефективни на голяма част от нашата територия. Поради това най-големите ветропаркове се концентрирарха в Североизточна България, където  ветроскоростите са по-високи, но пък съществуващата електромрежа е с малък капацитет, поради традиционно аграрния характер на района.

Именно ниската ефективност конвенционалните пропелерни ветрогенератори при малки и средни ветроскрости води до редица енергосистемни проблеми не само у нас, в следствие на невъзможността за по-равномерно териториално разпределение на ветро-електрогенерацията с нереактивни турбини. Този съществен недостатък на нереактивните турбини е напълно преодолян при реактивните. Мощността на реактивните турбини е сравнително много по-голяма (до 3 пъти) при по-ниски обороти на лопатите, поради значително увеличения им въртящ момент. А това е благоприятно и за значително намаления шум от тях.

В долната таблица са обобщени основните предимства и недостатъци на познатите и новоизобретените турбини ROTOJET:

Всеки от сините линкове в горната таблица пряко води до съответното демонстрационно видео. Вижте и текстовото обяснeние към всяко видео.

Сравнение на работещи конвенционална и реактивни пропелерни хоризонтално осеви турбини без ветроускорители вижте на това видео: http://www.youtube.com/profile?user=miscbeep#p/u/14/bWoLchq3EME 

Новопатентована реактивна хоризонтално-осева вятърна турбина вижте на: www.youtube.com/watch#!v=OwkLKdPuJAY&feature=channel

На това видео: www.youtube.com/watch#!v=-PX0wGi3Oag&feature=channel е показана хибридна понтонна електроцентрала с вертикални реактивни хидрокинетични и вятърни турбини. Тя е широко приложима при речни и канални бавни течения, защото новопатентованите кухи роторни лопати формират реактивни струи в изходящия им ръб, което значително увеличава тяхната ефективност и им позволява висока призводителност при ниски скорости на водните и ветровите потоци. А вертикалното положение на лопатите гарантира тяхното непрекъснато въртене, независимо от посоката на водното и вятърното течение. Бавното въртене на лопатите не е пречка, нито за подводните обитатели, нито за птиците. Електроцентралата не може да замърсява околната среда, защото в нейните отделни елементи няма маслонапълнени части или такива с други флуидни замърсители.

Сравнение на работещи конвенционална и реактивна турбина вижте на това видео: http://www.youtube.com/profile?user=miscbeep#p/u/14/bWoLchq3EME

Повече за реактивните турбини вижте тук !

Конфигурация, технология, проектиране и енергоинвестиционни оценки на вятърни паркове

Ветроусловията се оценяват в седем енергийни класа, които във възходящ ред показват прогресивно увеличение на плътността на ветровата мощност. Тя е основната характеристика за оценка на ветроенергийния потенциал. Само допреди десетина години се приемаше, че рентабилен е проект, който е на терен от 4-ти ветроклас или по-висок. А това означава преобладаваща (средно-претеглена по време) годишна скорост на вятъра повече от 5 метра в секунда. Но още в началото на 21-век се разработиха нови турбинни технологии, които позволиха на почти всички водещи фирми като Вестас, Енеркон, Дженерал електрик, Нордекс, Рипаур и др. да произвеждат мегаватови ветрогенератори, които да са енергийно и икономически рентабилни при много по-ниски ветроскорорости - примерно 3.5- 4.5 метра в секунда. На турбините, монтирани на високите стълбове (80-120 m.), скоростта на вятъра е по-висока. Тя надвишава 5.5 метра в секунда в средноветровитите места. В тези условия 3 мегаватовите ветрогенератори, с роторни диаметри 112-114 метра, до 164 метра, са достатъчно ефективни и дават електропроизводство 7 - 8 000 киловатчаса годишно, което съгласно действащите изкупни цени, носи чиста печалба над 300 000 лева годишно за всеки мегават мощност на една турбина.

Именно новоразработените и влезлите в експлоатация нови типове турбини, за средни и слаби ветрове, наложиха нов подход в планирането и проектирането на ветропаркове. Вече не е задължително да се избират местата с най-силни ветрове. Предпочитат се такива с добре изградена пътна и електрическа инфраструктура, която да гарантира безпроблемното отдаване на генерираната от ветротурбините мощност на публичната мрежа във всеки един момент. Също е важен и лесният достъп до машините. Не само заради улесненото им строителство, но и заради облекченото им експлоатационно поддържане. Затова "географията" на вятърните паркове значително се разшири. В Средна Европа вече има хиляди нови мегаватови турбини, например в равнинната част на Австрия и Унгария, на места където преди 10 години и не мислеха за вятърна енергетика. У нас, макар и по-късно, тази тенденция също се прояви. Наред с по-силно ветровитите терени по нашия северен морски бряг (област Добрич) и билото на Стара планина, проектите навлязоха и във вътрешността - Суворово- Вълчи дол, Русе-Силистра, Плевен - р. Дунав, Айтос-Карнобат, Странджа-Сакар, Ямбол-Стара Загора и т.н.

Друга причина за използване на места с ветроенергийни условия по-неблагоприятни от 4-ти ветроклас е, че цените на новите ветроагрегати паднаха няколко пъти за последните двадесетина години. Именно тези цени имат най-голяма тежест за всяка ветроенергийна инвестиция, тъй като горивото (вятърът) e безплатно, строителните работи са минимални, а турбините работят автономно и автоматично без персонал и се управляват телеметрично от централен диспечерски пункт.

Третата причина е, че технологиите на ветротурбини, работещи с регулируеми променливостъпкови лопати и електрогенератори с променливи обороти станаха масови. Това, в съчетание с нови ефективни електромагнитни материали, използвани при генераторите им, позволява и на ветроместа от 2-ри ветроклас да се получават рентабилни инвестиционни резултати.

Преди да се започне какъвто и да е било проект на ветропарк или клъстер е необходимо да се направи избор на най-подходящите турбини за него, както е описано тук. Но преди това следва да се направи ветроенергиен одит на целия терен, а не за отделни точки по него. Всяка турбина във ветропарк произвежда по-малко електроенергия в годишно изражение, в сравнение със случаите, когато тя е самостоятелна. Затова е неправилно да сумират годишните електропроизводствени данни на единични турбини, когато са във ветропарк или клъстер. Тук проблемите не са чисто електропроизводствени.

Ако една турбина заслонява друга, съседна на нея, това не води само до енергийни загуби от намалената ветросила към заслонената турбина. По-опасното е, че турбуленцията на въздушния поток, преминал през едната, поставя в тежък аеродинамичен работен режим другата, който може бързо да я разруши. Различните турбини имат съществено различаваща се "ветропрозрочност" на роторите си, както и различна устойчивост на турбуленция. От това, както и от геометричните им параметри, много зависи, доколко ще се избегне бързото разрушаване на турбините във ветропарка и доколко ветроелектропроизводството му ще бъде максимално възможното за определен терен. За да се постигне тази максимизация, следва да е оптимално разположението на трансформаторните станции, схемите и връзките между ветроагрегатите, тяхната конфигурация по планиметрията и алтиметрията на терена и т.н.

Оптималната конфигурация на всеки ветропарк зависи от изброените и от много други параметри и изисквания, част от които са противоречиви и дори взаимно изключващи се. Особено, когато терените не са равни полета, а релефни или пресечени местности. Всяка една оптимизация основно се свежда до приемливи компромиси между големината на турбините, мощността им, вариантното им взаимно разположение на определен по площ и релеф терен и т.н. Поради многобройните параметри и условия при проектирането на ветропаркове използваме специализиран софтуер, който помага за получаването на вариантни техникоикономически решения на оптимални конфигурации на ветропаркове. Това се отнася не само за ветропаркове от десетки турбини, но дори и само за няколко такива (клъстер).
 

Оценка на вятърна енергия за производство на електричество
3 D измерване на скорост на вятъра и локален ветроатлас за вятърен парк

За всеки ветроенергиен проект, както за единична вятърна турбина, така и за вятърен парк, са нужни продължителни измервания на вятъра и други климатични характеристики. Използваният от нас метод на дифернцирано измерване на скоростта на вятъра и другите характеристики позволява чрез използването на математически модел да се комбинират метеорологичните данни с измерваните по долуописания метод. Целта на комбинираното използване на статистическите метеоданни и измерените по 3D-метода е многократно по-бързо да се получат достатъчно достоверни резултати за ветроенергийния одит.

Метеорологичните данни за вятъра се характеризират с една посока и сила в едно измерение. Тази начин на измерване на скорост на вятъра е напълно достатъчен, за да се анализира макродвижението на въздушни маси над дадена страна и континент, с оглед метереологичните прогнози. Но такива данни са недостатъчни, за да се разбере детайлно енергийният характер на вятъра и да може в крайна сметка да се получи пълната обемна картина на движението на въздуха за точно определено място, където се проучват възможностите за ветроенергийно производство. Скоростта на вятъра в приземния въздушен слой, където работят ветротурбините, никога не е хоризонтална и въздушният поток никога не е ламинарен. Той е толкова по-променлив и турбулентен, колкото е по-неравна и пресечена местността и колкото ландшафтът е по-разнообразен. В България, където топографският профил и ландшафтът са разнообразни, задължително следва да се прилагат специфични методи за ветроизмерване и ветроодит. В равнините на Дания, Холандия и Германия, където работят над 25 000 ветротурбини, не винаги е задължително необходимо използването на специални методи и апаратура за 3D мерене. Често там е достатъчно да се измерва само хоризонталния вятър.

Контролното 3D ветроизмерване, което правим на всяко одитирано място, има за цел да уточни редица важни особености на енергийните характеристики на въздушния поток. Заснемането на ветроданните не е за статистически цели. Подобна многогодишна статистика съществува и ние ползваме данни от нея, които допълваме с получените на място, но не за количествено увеличаване на статистиката, а като установени характерни за мястото качества на вятъра. Причината за това е, че конвенционалните метеорологични измерителни средства и методи не отчитат напълно ветродинамиката и съответните качества на вятъра като турбуленция, вертикална компонента, изменението на посочените и други характеристики във височина над терена, както и частта от кинетичната енергия, която може да се трансформира в електрическа от различните видове ветроелектрогенератори. За да получим интересуващите ни резултати ние използваме специален метод на измерване и съответния софтуер, чрез който отчитаме ветродинамиката във всички пространствени направления и оценяваме потенциала на всяко място за използването му за ветроенергетика, съобразно техническите възможности на турбините да преобразуват вятърната енергия в електрическа .

Общоприетата система за тримерен ветродинамичен анализ на движещи се флуиди (в т.ч. и въздуха) в аеродинамиката е тримерната координатна система на Декарт. В нея вятърният вектор V се проектира върху двойка взаимно перпендикулярни оси х и у в хоризонтална равнина. А във вертикална посока проекцията на V е по ос z. Тази добре позната триосева координатна система е ориентирана с оста си х на север. А посоката на вятъра се дефинира с ъгъла между проекцията му Vx и северното направление. Vy и Vz са останалите две проекции на вектора на вятъра V. При така дефинираната система, резултантният (действителният) вятър V е векторна сума от проекциите си по трите оси, а хоризонталният вятър - векторен сбор от Vx и Vy. Такъв диференциран анализ е необходим за правилния избор на всяка еднороторна хоризонтално осева ветротурбина, която работи самостоятелно, защото хоризонталните компоненти на вятъра са ветроенергозначими, а не вертикалните, които имат нежелано въздействие върху електропроизводството на ветроагрегатите. Вертикално осевите турбини имат съществено различни характеристики от тези на хоризонтално осевите и тук не се спираме на тях, защото те имат приложение в специфични случаи. Покомпонентната оценка на ветроскоростта има съществено заначение, за да се отсее кинетичната енергия на вятъра, която може да бъде трансформирана в електрическа от различните видове турбини и тази част от ветровия кинетичен потенциал, която се губи.

Ние разполагаме с необходимата апаратура и софтуер за диференцирано измерване и анализиране на тримерните характеристики на вятъра в мястото на монтиране на ветротурбините, което има решаващо значение за техния избор с оглед ефективното електропроизводство десетки години след това.

По принцип, колкото по-продължителни са ветроизмерванията, толкова по-обективни са получените резултати. Най-продължителни са метеорологичните ветроизмервания у нас и по света. У нас има климатична статистика от много десетилетия. Тя показва значителни разлики в годините, които надхвърлят 40% за ветрохарактеристиките, поради което при всяко конкретно продължително ветроизмерване, дори и едногодишно, очакваната грешка е значителна. Затова статистическите бази данни (от най-различни източници) носят по-точна информация, макар и да нямат необходимата диференциация, която е задължителна за всеки ветроенергиен одит. Статистиките, получени от недиференцирано измерени данни са стартова база за нашите ветроенергийни анализи. Но тя не е достатъчна, най-малкото защото ветроизмерителните станции не са гъсто разположени на територията на страната и статистиката е от едномерни измервания. Получените резултати от диференцираното измерване имат смисъл само за определено място, защото са строго специфични и зависят от околния ландшафт и топографския микро и макропрофил. За да бъде ветроодита достатъчно точен, данните от ветростатистиките задължително се прецизират за всяко конкретно място с диференцирани измервания по гореописания 3D метод. Неговото комбинирано използване със статистическата ветроклиматична информация е най-подходящият подход за извършване на ветроодит на място за сравнително непродължително време. Следва да се има предвид, че през последните десетилетия има определена тенденция за усилване на ветровете у нас, което е по различни причини, но глобалното затопляне и засушаването имат съществено влияние върху тези процеси. Затова ветростатистическите данни следва да се приемат като такива с известно занижение на ветроскоростите, с оглед на бъдещите прогнози, тъй като глобалното затопляне има очевидна тенденция към засилване, поне през следващото десетилетие.

Благодарение на комбинираното използване на наши 3D измервания и ветростатистики, включително и корелирана ветростатистика, базирана на различни източници, като БАН, авиацията, речния и морския флот и други ние вече сме разработили подробни ветроатласи за редица области у нас, които са най-подходящи за ветроенергетика. По този начин, на основание контролни замервания на опредзелени конкретни места, ние можем да направим ветроенергиен одит за сравнително късо време. Тези измервания позволяват да се оцени енергията на въздушния поток, който е енергийно оползотворим от ветроагрегатите, а не изобщо. По принцип ефективността на ветроагрегатите е невисока. Тя много съществено зависи от преобладаващите ветроскорости на местата, определени за ветротурбините. Затова само оценката на енергията на въздушния поток е недостатъчна за правилното проектиране на вятърна електроцентрала. И точно по тази причина ние извършваме и оценка на вятърната енергия, която турбините могат да преобразуват в електрическа. В резултат на този конкретен подход се постига много по-голяма точност на крайните енeрего-технически, а след това и на инвестиционно-икономическите оценки.

Използвайки описания по-горе начин за ветроенергийно одитиране ние сме изготвили локални ветроатласи на специфични райони у нас, които са изгодни за инвестиции във вятърни електроцентрали.

Ветроенергийният одит посредством 3D измерванията, освен че дава тримерната картина на въздушното движение е и начин за оценка на турбуленцията на въздушния поток това е особено важно да се знае, тъй като турбулентните загуби на кинетичната енергия на вятъра може да надхвърли 20%. Но дори и в идеален случай с нулеви турбулентни загуби всички ветроагрегати без изключения (като енергийни машини) не работят и не могат да работят със 100% ефективност (к.п.д.). Нещо повече, за разлика от парните, водните турбини и други подобни машини, които работят с к.п.д. около и над 90%, ветроагрегатите, дори и при най-благоприятните условия, достигат около половината от ефективността на посочените други енергийни машини. Този известен факт се дължи на обстоятелството, че при разглежданите машини първичните източници на енергия (пара, напорна вода) се контролират така, че техните параметри да съответстват на оптималните режими за работа на съответните турбини. За съжаление, при конвенционалните масови ветроагрегати вятърът не може да се контролира и затова ефективността на последните е двойно и тройно по-ниска, а теоретично тя не може да надхвърли 59,3%, съгласно модела на Ланчестър-Бетц. Именно тази съществена разлика, между ветроагрегатите и всички други енергийни машини, изисква детайлно проучване на вятърните условия (ветроенергиен одит), което ние постигаме с диференцирано 3D измерване, последвано от внимателен обективен избор на най-подходящите за тези условия ветроагрегати, както е посочено тук.

И накрая ще подчертаем, че и най-прецизната дългогодишна ветростатистика е недостатъчно надеждна без отчитане на 3D корекциите, които именно най-добре показват тенденциите за последващите десетилетия, когато фактически ще работят ветротурбините. Освен това се изискма не пректиране по ветро статистика, а проектиране по прогноза за вятърния потенциал които е изрично записано в Наредбата.

Затова в нашите проекти заделяме най-много време и други ресурси за прецизна прогноза на ветроклимата на всяко конкретно одитирано място. А тя е и първото задържително изискване в задължителния проект по Наредба 1627 от януари 2008 г. на МИЕТ.

На тези страници са описани главните иновативни направления на работата на B 2 B ^TM  мрежата, а свързаните с това конкретните патенти може да видите на www.tonchev.net

Допълнителна информация за патентованите турбини и други машини, работещи на ВЕИ може да намерите тук