Особенности проектирования, строительства и эксплуатации ветроэнергетических установок на континентальном шельфе

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «Морские и речные порты, водные пути и их техническая эксплуатация»

Реферат

«Особенности проектирования, строительства и эксплуатации ветроэнергетических установок на континентальном шельфе»

Выполнил:

ст. ФВТШС Vк./1гр.

Авоян В.Л.

Проверил

доцент Дубровский М.П.

Одесса - 2015



Содержание

Введение

1. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации ветроэнергетических установок на континентальном шельфе

2. Принцип работы оффшорной ветряной электростанции

3. Преимущества и недостатки

4. Исторические сведения появления оффшорной энергетики

5. Системные требования

5.1 Расположение

5.2 Дальность передачи

5.3 Техническое обслуживание

5.4 Сетевое управление

6. Влияние работы оффшорной ветряной электростанции на ряд факторов

7. Рост и проблемы оффшорной ветряной энергии

8. Один из последних проектов в области производства ветряной энергии в море

8.1. Характеристики WindFloat

Заключение

Литература



Введение

Изменение климата является серьезной экологической проблемой, перед которой сегодня стоит мир, и возобновляемые чистые источники энергии, как например ветер, являются значительной частью решения этой проблемы. Энергию ветра можно в избытке найти во многих частях планеты, и ее можно безопасно собирать, чтобы генерировать электроэнергию без производства опасных отходов и нежелательных попутных продуктов.

Энергия ветра как часть разнообразного набора возобновляемых источников энергии также может сделать ценный вклад в энергетическую безопасность и обеспечить сбалансированное удовлетворение растущего спроса.

Ветряные энергосистемы являются одними из наиболее технологически продвинутых и эффективных в плане расходов источников генерации электроэнергии, которые доступны на сегодняшний день. Современные турбины могут производить полезную энергию до 85% года и имеют жизненный цикл как минимум 20 лет. Энергия, произведенная ветряными электростанциями, является одной из самых дешевых форм возобновляемой электроэнергии, доступной на сегодняшний день, и существует реальный потенциал продолжения технологических прорывов, чтобы еще больше снизить затраты.

Ветряная энергия может помочь выполнить национальные и международные цели по снижению выбросов угарного газа и является жизненноважным компонентом стратегии по выполнению целей возобновляемой энергии. Она также увеличивает безопасность поставки и снижает зависимость стран от исчерпаемых источников энергии и импорта.



1. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации ветроэнергетических установок на континентальном шельфе

Морские ветряные электростанции похожи на обычные сухопутные объекты ветровой энергетики. Оба типа электростанций требуют тщательного планирования на этапе строительства, и лучше всего заложить в проект управление системой ветровых турбин дистанционно с центрального пункта управления. Для того чтобы сохранить стоимость строительства на разумном уровне, большинство объектов ветровой энергетики проектируются состоящими из множества турбин. Часто турбины располагают рядами, как высаженные деревья.

Шельфовые ветряные электростанции строят в море за 10 - 12 километров от берега, что позволяет не использовать землю на суше, и с помощью регулярных морских ветров бесперебойно обеспечивать электроэнергией электростанции.

Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты с сваи, забитых на глубину до 30 метров. Электроэнергия передается на землю по подводным кабелям.

Шельфовые электростанции являются на порядок дороже своих аналогов на суше, потому что для генераторов требуются более высокие башни и более массивные фундаменты. Соленая морская вода может приводить к коррозии металлических конструкций.

Стальная башня этого ветрогенератора уходит под воду на глубину 100 метров. Над водой башня возвышается на 65 метров. Диаметр ротора составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенератора и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещен балласт (гравий и камни).

При этом от дрейфа башню удерживают три троса с якорями, закрепленными на дне. Электроэнергия передается на берег по подводному кабелю. Такие ветрогенераторы являются очень дорогими но их цена себя полностью оправдывает. Их преимущество в том, что их можно устанавливать в тех местах, где ветры дуют с достаточно большой силой, а глубина океана или моря не позволяет устанавливать все другие ветрогенераторов.

Шельфовые ветровые электростанции обладают рядом преимуществ:

· их практически не видно с берега;

· они не занимают землю;

· они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.

В конце 2008 года во всём мире суммарные мощности шельфовых электростанций составили 1471 МВт. За 2008 год во всём мире было построено 357 МВт шельфовых мощностей. Крупнейшей шельфовой станцией в 2009 году являлась электростанция Миддельгрюнден (Дания) с установленной мощностью 40 МВт. В 2013 году крупнейшей стала London Array (Великобритания) с установленной мощностью 630 МВт.

Для строительства и обслуживания подобных электростанций используются самоподъёмные суда.



2. Принцип работы оффшорной ветряной электростанции

Диаграмма ниже является упрощенной версией ветряной электростанции, установленной в море.

Колонны (1) устанавливаются в морское дно, когда найдено подходящее место для ветряной электростанции. Защита от эрозии, похожие на морскую защиту, устанавливается внизу, чтобы предотвратить повреждение морского дна. Вершину красят в яркие цвета, чтобы она была заметна судам. Также на ней находится платформа доступа, что позволяет стыковаться с колонной командам сопровождения.

Как только турбина собрана, сенсоры на турбине определяют направление ветра и поворачивают свои головки, называемые nacelle, в сторону ветра так, что лопасти могут получить максимальное количество энергии. Движение ветра по лопастям аэродинамической формы (2) заставляет их вращаться вокруг горизонтальной втулки, которая соединена со стержнем внутри головки. Этот стержень через коробку передач позволяет генератору превратить энергию в электричество. Подводные кабели (4) проводят энергию на оффшорный трансформатор (5), который превращает электричество в высоковольтное (33kV) до того, как провести его 5-10 миль для соединения с энергосистемой в подстанции на земле (6).

3. Преимущества и недостатки

Среди отраслей возобновляемой энергетики по установленной мощности ветроэнергетика развивается особенно быстро. Сейчас уже построены огромные наземные ветропарки. Одним из является Roscoe Wind Farm с 627-и установками горизонтально-осевого типа, и расположенном на площади в 400 квадратных км.

Однако, территория, где дуют сильные и стабильные ветра, на суше не безгранична. Особенно в густонаселенной Европе. Конечно, можно построить ветропарки на суше и за пределами Европы, но тогда транспортировка электроэнергии обходилась бы настолько дорого, что строить ветропарки просто не имело бы смысла. Но выход был найден - это территория на море вдоль побережья. В некоторых местах глубина достигает нескольких десятков метров, и при этом территория ничем не занята. Кроме этого, в море среднегодовая скорость ветра выше, чем на суше, что позволит вырабатывать больше электроэнергии. Например, в Северном море средняя глубина составляет 96 м при площади в 544 тыс. кв.км. Поэтому неудевительно, что на нем расположено больше всего оффшорных ветропарков.

Еще одним преимуществом может послужить тот факт, что оффшорную ВЭС можно расположить в море вблизи крупного промышленного центра, снизив тем самым стоимость передачи электроэнергии по сетям. При этом на удалении 10-12 км от берега, оффшорная ВЭС не будет портить морские пейзажи.

Но, несмотря на преимущества у оффшорной ветроэнергетики есть огромный минус - строительство оффшорных ветропарков обходится дороже, чем наземных, поэтому окупается оно лишь в том случае, если ветропарк вырабатывает достаточное количество энергии. Например, установка фундамента для наземной ВЭУ обходится в несколько раз дешевле, чем для оффшорной ВЭУ. В связи с этим, по данным REN21, стоимость одного кВт-часа для ВЭС мощностью выше 1,5 МВт наземного размещения равно 5-9 центов США, а для морского размещения 10-14 центов США. Для сравнения стоимость одного кВт-часа для гидроэлектростанций с установленной мощностью свыше 10 МВт составляет 2-5 центов США.

Специалисты предлагают снизить себестоимость произведенной энергии за счет увеличения размеров ветроустановок. Но здесь тоже возникают множество вопросов, связанных с прочностью. Например, длина лопастей некоторых моделей превышает 45 метров, и при дальнейшем увеличении этого показателя, повышаются требования к их прочностным характеристикам.

Также эксплуатация и техническое обслуживание оффшорных ветряных электростанций является более трудным и дорогостоящим, чем наземных ветряных электростанций. Морские условия усложняют монтаж, пуско-наладочные работы, обслуживания и ремонт, что делает это основной проблемой. В зимних условиях, ветряные электростанции могут быть недоступны для обслуживания в течение нескольких дней при штормовых условиях и плохой видимости. Кроме этого существует еще ряд вопросов, которые необходимо решить при установке оффшорных ВЭС. Это и вопрос, связанный с помехой для транспортного судоходства и рыболовства, и вопрос с экологией, и т.д.



4. Исторические сведения появления оффшорной энергетики

Пионером в области оффшорной ветроэнергетики является Дания. Именно в этой стране в 1991 году была установлена первая в мире оффшорная ветроэлектростанция (ВЭС) Vindeby (еще известна как Ravnosbogr) мощностью 5 МВт, состоящая из 11 ветротурбин компании Siemens мощностью 0,45 МВт каждая.

По состоянию на октябрь 2010 года суммарная мощность всех установленных оффшорных ветрустановок составляет 3,16 ГВт. Большая часть оффшорных ветроустановок находятся в Северной Европе. Согласно исследованиям BTM Consult к 2014 году суммарная мощность оффшрных ветроустановок превысит 16 ГВт. Значительный вклад в это внесут строящиеся оффшорные ветропарки в Великобритании и Германии.

Например, в Великобритании за 2010 год было построено четыре оффшорных ветроэлектростанций с наименьшей установленной мощностью 64,8 МВт и с наибольшей 300 МВт (Thanet Offshore Power Station).



5. Системные требования

5.1 Расположение

Как правило, большинство морских ветряных электростанций расположены вдоль береговой линии, где скорость ветра больше, чем на суше. Однако, морская среда - это источник критических климатических воздействий, таких как коррозия и предельные температуры, что приводит к необходимости обязательной сертификации на безопасность и среднее время безотказной работы. Для сооружения этих ветровых электростанций требуются огромные затраты времени и денег, и проектировщики должны выбирать оборудование высокого качества со специализированными функциями.

оффшорный ветряной энергия электростанция

5.2 Дальность передачи

Электрические линии и линии управления заглублены в морское дно. Иногда первый ветряк может быть расположен более чем в 3 км от центра управления. Неудачно спроектированная сеть может значительно увеличить стоимость кабелей. Именно поэтому, определение хорошего места установки каждой ветровой турбины и организация надежной коммуникационной сети с непрерывным обменом данными может иметь большое значение для снижения затрат на обслуживание.

5.3 Техническое обслуживание

Стоимость доставки инженеров к одной из ветровых турбин для сбора данных со счетчиков электроэнергии или проведения регулярного технического обслуживания может быть очень высокой. Это особенно важно, поскольку для этой доставки должны использоваться суда или вертолеты. Традиционно, техников по эксплуатации приходилось спускать на платформу ветровой турбины из вертолета лебедкой, если волнение на море слишком сильно и приблизиться к платформе на судне невозможно. Но, во-первых, аренда вертолета или судна достаточно дорога, а во-вторых, отправлять инженеров таким способом крайне опасно. Более того, если погодные условия особенно неблагоприятны, то работы на ветровой турбине вообще должны быть отложены на неопределенный период времени. Создание надежной сети управления с системой SCADA (система диспетчерского контроля и сбора данных) могла бы значительно упростить задачу управления и контроля ветровых турбин.

5.4 Сетевое управление

Ethernet является идеальным решением для снижения общей стоимости организации и эксплуатации коммуникационной сети.

Используя Ethernet, инженерам не нужно изучать специальные протоколы обмена данными, которые предлагают отдельные производители по непомерным ценам. Инженеры могут также сконцентрировать внимание на определении того, какие функции и особенности необходимы для данного проекта.



6. Влияние работы оффшорной ветряной электростанции на ряд факторов

· На судоходства

Разработчики по всему миру располагают ветряные турбины вне установленных судоходных путей, тем самым избегая конфликты с движением судов. В случае смещения судна с курса, его радар сможет распознать ветряную турбину, которая является отличным объектом на экране радара. Ветряные турбины также оснащены предупреждающими устройствами, чтобы предупреждать суда в неспокойных водах.

· На рыболовство

Учитывая относительно небольшую площадь морского дна, которое необходимо для строительства, нет свидетельств, которые могли бы доказать, что вылов рыбы снизится в результате увеличения количества ветряных электростанций.

Многие экологические группы считают, что ветряные электростанции обеспечивают благоприятное прибежище для нереста рыб, а так же место, где рыбы могут укрыться от интенсивного рыболовства.

· На дно моря

Любой проект по строительству ветряной электростанции в море проходит полную проверку на влияние на волны и почву берега до строительства. Однако, структура турбин и расстояние до берега являются такими, что они могут значительно повлиять на морское дно или движение волн. Не существует доказательств из опыта, которые подтверждали бы, что ветряные электростанции имеют негативное влияние на прибрежные процессы.

Прибрежная эрозия почвы происходит от более высокого уровня моря и более суровых погодных условий из-за глобального потепления, что признано повсеместно, и эти процессы значительно превышают возможное влияние оффшорных ветряных станций.

· На морских обитателей

Существуют три значительных стадии ветряных электростанций в море с точки зрения морских обитателей: строительство, работа и разборка. Строительство и разборка могут явиться причиной наибольшего вреда, и ветряная отрасль, также как и несколько групп по сохранению морской жизни, в настоящее время проводят исследования по влиянию этих процессов на обитателей моря.

Однако, важно рассматривать это влияние в контексте другой деятельности человека в море, такой как рыболовство, судоходство, добыча нефти и газа, и т.д. Также необходимо заметить, что длительность строительства и разборки ветряной электростанции в море составляет всего около 6 месяцев. В течение периода работы станции в 20 лет не было обнаружено никакого влияния на морскую жизнь.

Как и при других вопросах местной экологии, эти проблемы решаются в то время, когда проект ветряной электростанции проходит получение разрешений.

· На опасность ураган

К такому выводу пришли ученые, проводившие исследования в университете штата Делавэр и Стэнфордском университете. Они выяснили, что морские ветровые турбины, помимо их основного предназначения, могут также помочь в формировании безопасных погодных условий.

Исследовательская группа считает, что ветровые электростанции способствуют снижению скорости ветра и высоты волн, благодаря чему они могут ослабить воздействие штормовых приливов и уменьшить мощь ураганов еще до того, как они доберутся до побережья. Морские ветряные станции могут стать своеобразным буфером в прибрежных городах, которые наиболее часто страдают от ударов стихии.

Исследователи отметили, что ураганы больше подвержены влиянию ветровых электростанций, чем обычные ветра. На примере ураганов Катрина и Сэнди ученые проверили, что могло произойти, если на их пути были бы десятки тысяч ветровых турбин. Выяснилось, что ураганы потеряли бы свою разрушительную силу, поскольку турбины замедляют быстродвижущийся ветер. В результате даже у глаза урагана скорость была значительно ниже первоначальной.

Скорость ветра урагана Катрина снизилась бы до 148 км/ч, что вдвое меньше скорости ветра урагана Катрина, обрушившегося на США в августе 2005 года. Скорость ветра урагана Сэнди снизилась бы со 185 км/ч до 140 км/ч.

· На рабочие места

Ветряная энергия является наиболее динамично растущим источником энергии, темп роста которого в среднем составил 32% за последние 10 лет по всему миру. Экономический объем рынка ветряной энергии во всем мире оценивается в $36 млрд. в год на новом генерирующем оборудовании.

Более 70 стран по всему миру содействуют этому росту, и количество людей, задействованных в этой отрасли по всему миру оценивается в 200 000 человек. Согласно Европейской ассоциации ветряной энергии, генерация 12% энергии Евросоюза из ветра создаст 368 000 новых рабочих мест в течение 13 лет, в то же время увеличивая энергетическую безопасность и генерируя богатство стран.



7. Рост и проблемы оффшорной ветряной энергии

Великобританская компания-аналитик Douglas-Westwood выпустила последний выпуск своего отчета «Мировая оффшорная ветряная энергия», который выделяет значительный рост, но также и проблемы быстро растущих затрат и сложностей, с которыми сталкивается проектное финансирование.

Фирма сообщает, что отрасль сейчас растет, и развитие рынка многообещающее с рекордными объемами мощностей в строительстве. Значительный рост уровня использования ожидается в ближайшие годы, однако уровни установленных мощностей достигнут пика в 2011 г. с небольшим спадом в 2012 и 2013 гг.

Согласно исследованию «Мировая оффшорная ветряная энергия 2009-2013 гг.» в рынок оффшорного ветра будет вложено €21.6 млрд. ($31.0 млрд.) капитала в пятилетний период до 2013 года при установке 6,6 GW новых мощностей по всему миру. Так как в настоящий момент рынок составляет 1,5 GW мощности, это является значительным ростом рынка и выразится в ежегодных капитальных затратах более €6.2 млрд. на пике.

Из наиболее крупных рынков доминирует Великобритания с новыми мощностями в 3 GW до 2013 года, рынок стоимостью €10.7 млрд. Долгосрочные перспективы положительны, при том, что идет третья фаза лицензирования на рынке. Недавние изменения в механизме лицензирования привели к долгожданному продвижению проектов, которые не могли получить нужные подписи из-за недостаточной прибыльности ввиду роста затрат.

Вторым крупным игроком рынка является Германия, в которой планируется установить 1,5 GW мощностей. Стабильные рыночные механизмы и недавние соглашения по присоединению к внешней сети помогли Германии запустить один из крупнейших рынков в мире в ближайшее десятилетие.

Новые проекты в Дании сейчас находятся в фазе строительства и тендеров, что добавит в стране новые мощности объемом в 875 MW за рассматриваемый период. Долгосрочный потенциал страны оценивается как очень сильный.

Первая коммерческая деятельность по ветряной оффшорной энергии вне Европы проходит в Китае, в которой есть один почти законченный проект. Быстрые темпы развития позволят рынку в этой стране расти уверенно. Китай также осуществляет поставки для европейских оффшорных ветряных проектов.

В США был осуществлен значительный прогресс в новой администрации по установлению необходимых механизмов, которые позволили развивать проекты по оффшорной ветряной энергии. За этим должно последовать развитие логистической цепочки, и необходимо работать над поставками, установкой и логистикой.

Говоря о новом отчете, менеджер отдела возобновляемых ресурсов, Адам Вествуд прокомментировал: «В отрасли сейчас появляются новые крупные проекты, процессы строительства и тендеров будут продолжаться еще 3-4 года. Начало нового десятилетия будет сложным, так как отрасль попытается продержаться при постепенном росте затрат».



8. Один из последних проектов в области производства ветряной энергии в море

Компания ABS провела изучение возможных опасностей как первый этап стадии Предварительного планирования и консультации проекта WindFloat для компании Principle Power, который является новой плавучей структурой поддержки для крупных оффшорных ветряных турбин.

WindFloat является одной из нескольких концепций плавучих оффшорных систем поддержки, которые в настоящий момент находятся в разработке. «Разумно рассматривать эти концепции как оффшорную структуру, - говорит Доминик Роддье, главный управляющий по технологии компании Principle Power Inc. - Разрабатывая структуру мы стремились к поиску синергии с нефтегазовыми концепциями - от фиксированных платформ к Spars, а затем к полупогружным платформам».

Уникальный дизайн включает трехколонную плавучую структуру, способную поддерживать определенную оффшорную ветровую турбину, произведенную для морского применения, мощностью от 3,6 до 10 мегаватт (MW). Инновационный дизайн WindFloat предотвращает движение, вызванное турбиной либо волнами, позволяя располагать ветряные турбины в ранее недоступных местах, где глубина моря достигает 50 м и ветряные ресурсы более обширны.

8.1 Характеристики WindFloat

Мощность: 5-10 MW

Диаметр ротора: 120-150 м

Высота стержня турбины: 100 м

Вес головки турбины: 300-400 тонн

Высота башни: 300-400 тонн

Вес корпуса: < 2,000 тонн

Общий вес: < 8,000 тонн

Осадка корпуса: 20 м

Рабочая глубина моря: > 50 м

Традиционная швартовка.



Заключение

Оффшорная ветроэнергетика продолжает развиваться. Уже сегодня есть разработки плавучих ВЭУ, не требующих установки фундамента. Все чаще предлагаются даже в чем-то футуристические разработки. И не смотря на некоторую дороговизну "оффшорной" электроэнергии, перспективы в данном сегменте огромные.

Учитывая общую направленность энергетической области на использование возобновляемых, а, желательно, и неисчерпаемых источников энергии, развитие ветроэнергетики будет постоянно ускоряться во всем мире. Разрабатываются новые модели ветроустановок, в которых усиливаются плюсы и минимизируются минусы. Например, уже тестируются плавающие и парящие ветрогенераторы.

Плавающие ветрогенераторы обладают тем же преимуществом, что и шельфовые - они устанавливаются довольно далеко от берега, не занимают земельные участки, их работа максимально эффективна за счет постоянных морских ветров. Также эффективны и парящие ветрогенераторы: чем выше - тем больше скорость ветра, и такие ветроустановки могут использовать максимальную силу ветра.

Все больше стран в мире устанавливают у себя ветряные электростанции, используя самые последние разработки. В суммарной энергии, вырабатываемой в мире, доля энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно возрастает.



Литература

1. https://ru.wikipedia.org/ wiki/Ветроэнергетика

2. https://ru.wikipedia.org/ wiki/Ветряная_электростанция

3. http://vetrodvig.ru/

4. http://www.abercade.ru/research/industrynews/2435.html

5. http://masterok.livejournal.com/1147323.html

6. http://maritime-zone.com/articles/offshore-wind-energy/

Размещено на Allbest.ru

...