Использование энергии ветра для орошения и электрификации


Большой хозяйственный интерес представляют мелкие перевозные ветронасосные агрегаты для механизации водоснабжения в районах отгонного животноводства в республиках Средней Азии, Казахстана и в южных районах Союза.

Перевозной ветронасосный агрегат должен перемещаться вместе со скотом; по прибытии на новое место его собирают и устанавливают у водоисточника.

Такой ветронасосный агрегат состоит из легкого ветродвигателя, насосного оборудования и приводной лебедки, при помощи которой качают воду не только от ветродвигателя, но и при помощи животного в периоды длительного затишья.

Такой ветронасосный агрегат поднимает в час до 1 кубического метра воды с глубины до 30 метров и полностью заменяет традиционную кавгу — мешок из козлиной кожи, освобождая людей от изнурительного труда при подъеме воды из колодцев.

Большое количество воды в сельском хозяйстве требуется и для полива растений, особенно в районах с недостаточным увлажнением. Обычно эти районы имеют довольно интенсивный ветровой режим со скоростями ветра не менее 5 метров в секунду. Кроме этого, в период засухи, как правило, интенсивность ветрового режима усиливается. Такой характер ветрового режима в засушливых районах дает возможность использовать энергию ветра для механического орошения.

К. А. Тимирязев придавал большое значение ветродвигателям в деле борьбы с засухой. В своей классической лекции «Борьба растения с засухой» в 1893 году он писал: «Если голландцы при помощи своих ветрянок борются с океаном, превращая море в сушу, если в наших городах различные усовершенствованные ветряные двигатели качают воду в верхние этажи домов, почему бы тот же ветер не мог бы поднять воду со дна оврагов до уровня полей? Почему не заставить его возвращать корням ту воду, которую он отнимает у листвы?».

При решении вопросов использования ветродвигателей для орошения напрашивается мысль об устройстве около ветронасосной установки запасного водохранилища, из которого можно было бы подавать воду на орошаемые участки в периоды безветрия.

Таким образом, типовая схема оросительной системы с использованием ветродвигателя должна состоять из ветронасосной установки, расположенной возможно ближе к водоисточнику; нагнетательного трубопровода или лотка на эстакаде до водохранилища; резервного водохранилища и распределительной системы в виде открытых земляных каналов или труб.

Учитывая большой единовременный расход воды (до 800 кубических метров на гектар) при поливе, для целей орошения должны применяться более мощные универсальные ветродвигатели, которые можно использовать и на других работах после окончания поливного сезона.

При помощи многолопастного ветродвигателя ТВ-8 с диаметром ветрового колеса 8 метров можно оросить участок площадью 5—6 гектаров. При этом ветродвигатель ТВ-8 может быть соединен как с поршневым насосом при значительных подъемах воды, так и с центробежным насосом при водозаборе из открытого водоема и при небольших высотах подъема воды.

Более значительный интерес для механического орошения представляет быстроходный трехлопастный ветродвигатель Д-12 с нормальной мощностью до 15 лошадиных сил (рис. 13). Этот ветродвигатель имеет стабилизаторное регулирование числа оборотов ветрового колеса в зависимости от скорости ветра и очень подходит для работы с центробежными насосами, которые через ременную передачу могут быть подключены к приводному шкиву ветродвигателя.

По данным академика А. Н. Костикова, изолированная ветронасосная установка с ветродвигателем Д-12 при работе с центробежным насосом может обеспечить орошение огородных культур на площади до 17 гектаров при наличии резервирующего водохранилища емкостью до 3000 кубических метров.

Большое значение для механического орошения имеет мощный современный быстроходный ветродвигатель Д-18 с нормальной мощностью до 50 лошадиных сил.

Этот ветродвигатель имеет такую же кинематическую схему, как и ветродвигатель Д-12, но установка его ветрового колеса на ветер производится при помощи виндроз.

Универсальные ветродвигатели, кроме механизации водоподъема для водоснабжения и орошения, с успехом могут быть использованы для силового обслуживания других трудоемких работ в сельском хозяйстве, а также для электрификации.

Быстроходные ветродвигатели типа Д-12 мощностью до 10 киловатт для мелкой электрификации могут использоваться по следующим двум схемам:

1) работа ветроэлектрической станции с аккумуляторной батареей без резервного двигателя;

2) работа ветроэлектрической установки без аккумулирования, но с резервом, обычно в виде теплового двигателя.

Ветроэлектрическая станция без резерва состоит из генератора постоянного тока, к которому подключается аккумуляторная батарея достаточной емкости, а уже с последней соединяются потребители. В данном случае непостоянство ветра по времени и скорости выравнивается довольно мощной буферной аккумуляторной батареей.

По этой схеме с чистым электрическим аккумулированием работают все современные мелкие ветроэлектрические установки мощностью до 1 киловатта. Это ветроэлектрические установки типа ВЭ мощностью от 100 ватт до одного киловатта конструкции ЦАГИ, которые широко применяются различными ведомствами как для освещения небольших изолированных построек (клубы, школы, хозяйственные колхозные помещения, железнодорожные казармы и т. п.), так и для зарядки аккумуляторов автомашин, радио и телефона низовой связи. Питание колхозных радиоузлов с успехом может быть обеспечено при помощи этих ветроэлектрических агрегатов. Большое значение могут иметь эти установки и для снабжения электроэнергией различных экспедиций и изыскательских партий.

На базе мелких ветроэлектрических установок работают современные дрейфующие автоматические метеостанции, которые по нескольку месяцев находятся без какого-либо наблюдения и ухода в жестоких полярных условиях.

Таковы широкие возможности использования мелких ветроэлектрических агрегатов с электрическим аккумулированием.

При работе ветроэлектрической станции с тепловым резервом целесообразно разделить потребителя на две группы, из которых одна требует бесперебойного электроснабжения, а вторая допускает временные перерывы в подаче электроэнергии.

При такой схеме ветроэлектростанции тепловой резерв может использоваться минимальное время лишь в периоды продолжительного затишья.

В качестве теплового резерва целесообразно использовать локомобильную или газогенераторную установку на местном топливе.

В Советском Союзе есть много районов, имеющих чисто местные энергетические ресурсы, использование которых, однако, только для тепловых установок быстро приведет к резкому сокращению их запасов. При параллельном же использовании энергии ветра и местного топлива запасов последнего хватит на очень продолжительное время.

Например, единственным местным топливным ресурсом Астраханской области является камыш, в изобилии растущий в Волго-Ахтубинской пойме. Не имеет область и местных гидроэнергетических ресурсов, так как строительство гидростанций на многочисленных протоках поймы пока невозможно. Однако камыша не хватит для полной электрификации сельского хозяйства области, а заготовка его сопряжена с большими трудностями и расходами. Между тем ветровой режим Астраханской области весьма интенсивен и устойчив, что открывает широкие возможности для использования ветроэлектростанций, которые, имея тепловой резерв в виде локомобильной установки, сжигающей камыш, могут обеспечить бесперебойную подачу энергии потребителям.

В лесистых районах в качестве резерва при ветроэлектростанции может быть газогенераторная установка.

В отдельных районах Московской, Ленинградской и других областей топливом для резервных установок при ветро-электростанциях может служить местный уголь и торф, остающийся в виде многочисленных перемычек на массивах бывших государственных разработок.

Резервом при ветросиловых установках могут быть и гидростанции на малых реках, работа которых весьма неустойчива по временам года. Как правило, летом в засушливый период и зимой при сильных морозах ощущается недостаток воды перед плотиной мелкой гидростанции. Воду приходится экономить и накапливать, работая с неполной мощностью или совсем останавливая турбину. Однако этого можно избежать, если параллельно с гидростанцией установить один или несколько ветродвигателей, которые в период рабочего ветра будут подавать электроэнергию потребителям. В это время на гидростанции будет накапливаться перед плотиной вода, которую можно использовать в периоды затишья.

Так вода и ветер, удачно дополняя друг друга, могут обеспечить работу комбинированной энергетической установки по твердому графику, хотя при раздельном использовании ни тот, ни другой энергетический ресурс не в состоянии обеспечить бесперебойного энергоснабжения.

В настоящее время Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разработал надежную схему, обеспечивающую параллельную работу одного или нескольких ветродвигателей Д-18 с любой неветровой электростанцией или энергосистемой. Это открывает широкие перспективы для использования современных мощных ветродвигателей для целей электрификации в основном сельскохозяйственных отдаленных районов.

Если с тепловым резервом могут работать ветро-электростанции с ветродвигателями Д-12 и Д-18, то для параллельной работы с гидростанциями желательно устанавливать более мощные ветросиловые агрегаты типа Д-30 с диаметром ветрового колеса 30 метров (рис. 15) и нормальной мощностью до 100— 150 киловатт и даже типа Д-50 мощностью до 1000 киловатт (рис. 14).

Однако гидроаккумулирование непостоянной энергии ветра заключается не только в параллельной работе гидростанции с ветросиловой установкой. Можно весь ход рабочих скоростей ветра в данном районе использовать для перекачивания воды ветронасосными установками из нижнего бьефа в верхний у тех гидростанций, которые испытывают недостаток в воде для работы с постоянной мощностью.

В районах с пересеченным рельефом местности и при наличии больших водных ресурсов целесообразно устраивать верхние водоемы — аккумуляторы, в которые вода подается ветрснасосными установками и затем срабатывается для получения электроэнергии от гидростанции.

В некоторых случаях более целесообразно осуществлять подъем воды только в периоды очень сильного ветра, когда имеется излишняя мощность у ветро-электростанции, которая обслуживает потребителей непосредственно от своего генератора. В этом случае гидростанция включается в работу только при наступлении длительного затишья. Для электрификации Крыма был разработан проект с использованием энергии ветра с гидроаккумулированием. Для этого в нагорной части Крыма должны быть установлены группы ветродвигателей для работы на сеть параллельно с гидравлическим аккумулятором, используя для этого разность уровней между Черным морем и Яйлой, которая достигает 1200 метров. По предварительным подсчетам озеро морской воды площадью зеркала около 3 квадратных километров, средней глубиной 15—20 метров, которое может вместить в себя имеющаяся на Яйле в районе Ай-Петри котловина, обеспечит двухмесячный запас воды для работы гидростанции.

Безусловно, что и в других местах Союза имеются весьма подходящие рельефные и гидрологические условия для строительства комбинированных силовых установок на базе использования энергии воды и ветра.

Исследования профессора Н. В. Красовского показывают, что в равнинных условиях, при параллельной работе кустов крупных ветроэлектрических установок на энергосистему вместе с каскадом малых и средних гидростанций, оказывается возможным мощность и годовую выработку энергосистемы увеличить в несколько раз сравнительно с мощностью и годовой выработкой только каскада гидростанций на том же водотоке.

Таковы перспективы широкого использования комбинированных ветро- и гидросиловых установок в районах с разнообразным рельефом земной поверхности.

Однако для этих целей требуются уже мощные ветросиловые агрегаты типа Д-30 и Д-50. Советские инженеры являются пионерами в разработке и строительстве мощных ветро-электрических агрегатов.

Так, еще в 1931 году была спроектирована и построена в районе Севастополя ветроэлектростанция ЦАГИ Д-30 мощностью до 100 киловатт, которая работала на общую сеть мощной тепловой станции.

Экспериментальные работы, проведенные на этой установке, явились отправным материалом для проектирования более мощной и совершенной ветроэлектростанции ЦВЭИ Д-50 мощностью до 1000 киловатт.

Строительство первых десяти ветроэлектростанций Д-50 намечалось осуществить в районе Кольского полуострова или Мурманска для параллельной работы с уже построенными гидростанциями.

На этих установках предполагалось проверить два основных условия, необходимых для технически правильной и выгодной их работы:

1) надежность отдельного агрегата, сводящаяся к минимуму затрат на ремонт и простой ветродвигателя;

2) надежность полной автоматизации пуска, остановки и регулирования отдельного ветродвигателя с диспетчерским управлением.

Тщательная проработка проекта ветроэлектростанции Д-50 дала возможность группе конструкторов по заданию Главэнерго осуществить проект оригинальной сверхмощной ветроэлектрической станции, строительство которой предполагалось в районе Ай-Петри в Крыму на плоскогорье со средней высотой 1200—1300 метров над уровнем моря.

Этот район отличается весьма интенсивным ветровым режимом со среднегодовой скоростью ветра 8,3 метра в секунду.

Ветроэлектростанция должна была отдавать электроэнергию в так называемое «южное кольцо», обслуживающее наиболее густонаселенные и промышленные районы Крыма.

Однако ветер непостоянен даже на той высоте, на которой предполагалось строительство ветроэлектростанции, хотя вообще с высотой скорость и постоянство ветра возрастают.

Предполагалось, что станция сможет работать с полной мощностью 2500 часов в году. Это могло дать 25 миллионов киловатт-часов энергии в год. Чтобы повысить выработку станции, проектом предусматривался оригинальный способ аккумулирования энергии на периоды затишья ветра.

Мощные пласты плотного известняка, на котором намечалось строительство станции, пронизаны глубокими и обширными пещерами, которые образовались в результате продолжительного действия воды. Если изолировать определенное пространство этих пустот, то их можно превратить в своеобразный гигантский резервуар для сжатого воздуха, который будет накачиваться туда за счет избыточной энергии станции. В периоды безветрия генераторы станции будут приводиться в движение специальными турбинами, работающими на сжатом воздухе из этих естественных резервуаров.

В данном случае мы имеем новый вид аккумулирования энергии ветра при помощи запасания сжатого воздуха. Пневматическое аккумулирование представляет большой технический интерес и в некоторых случаях может с успехом использоваться для выравнивания непостоянной энергии ветра.

Вопрос о строительстве мощных ветроэлектростанций в настоящее время приобретает большое значение в связи с крупными работами по электрификации народного хозяйства.

Исключительный интерес для практического использования представляет водородный способ аккумулирования энергии ветра, который разработан советскими конструкторами.

Ветроэлектростанция с водородным аккумулированием состоит из быстроходного ветродвигателя, который вращает электрический генератор постоянного тока. Электроэнергия от генератора поступает к электролизеру (электролизер — аппарат, в котором вода разлагается на водород и кислород). Полученные таким путем газы собираются в газгольдерах (газгольдер — хранилище для больших количеств газа) и в дальнейшем служат топливом для газового двигателя.

Предварительные эксперименты показали техническую возможность и надежность работы комбинированной силовой системы по описанной схеме.

Экспериментальная ветроэлектростанция работает на базе быстроходного ветродвигателя Д-18 мощностью до 50 лошадиных сил, но имеется техническая возможность для получения более мощных установок путем агрегатирования нескольких ветродвигателей на общий электролизер.

Так ветер из воды делает нужное количество топлива для тепловой станции, отдающей энергию потребителям по жесткому графику.

Для повышения коэффициента полезного действия ветроэлектростанции с водородным аккумулированием и увеличения выработки установки в районах интенсивного ветрового режима целесообразно электроэнергию от ветроэлектростанции отпускать непосредственно потребителям и лишь избыточную мощность использовать на электролиз воды.

При этой схеме тепловая установка на водородном топливе превращается в резервный агрегат для работы только в периоды затишья.

Исследования показали, что сжатый водород можно передавать на большие расстояния при помощи тонких стальных трубок, и это оказывается дешевле, чем передавать эквивалентную электроэнергию по проводам.

Это открывает интересную техническую проблему о создании «единой водородной сети высокого давления» для использования водорода непосредственно у потребителей.

В этом случае ветросиловые установки по добыче водорода могут устанавливаться в районах с наиболее выгодным ветровым режимом.

Широкое развитие высоковольтных закольцованных линий электропередач открывает новые возможности для работы мощных ветросиловых установок в единой энергетической системе. При этом кусты мощных ветродвигателей устанавливаются в наиболее благоприятных топографических и аэрологических районах и, работая на общую сеть, в значительной степени могут увеличить выработку всей энергосистемы без затраты топливных ресурсов или эквивалента гидроэнергии.

Таковы заманчивые и вполне реальные перспективы широкого использования энергии воздушного океана.

Советские ученые и конструкторы сделали большой вклад как в теорию ветротехники, так и в дело разработки оригинальных конструкций ветродвигателей и способов их рационального использования. Так передовая советская наука и техника подошли вплотную к освоению неисчерпаемых запасов «голубого угля».