Математическая модель была использована для решения оптимизационной задачи. Основные компоненты ветроэнергетической установки и ее системы оптимизированы методом итераций, выполнен сравнительный анализ возможных вариантов и анализ устойчивости оптимального решения. Выходным показателем, который оптимизировался (минимизировался), была стоимость энергии. Задача оптимизации включала несколько итераций, чтобы определить основные параметры ВЭУ путем последовательного приближения к их оптимальным значениям. Значения отдельных параметров, выбранных для последующей стадии предварительного проекта, были определены на основе других проектных исследований.
При оптимизации использована параметрическая модель, которая накладывала ряд ограничений в части возможностей детализации рассматриваемых вариантов. Исходные данные, вводимые в модель, формировались в результате большого объема детальных исследований и сравнительных оценок. Для того чтобы перейти к стадии предварительного проекта, выполнен анализ результатов большого объема расчетов на модели, некоторых других исследований, а также использован опыт фирмы Kaman и энергетической компании Northeast Utilities.
Основным параметром ветроэнергетической установки, влияющим на стоимость вырабатываемой энергии и капитальные вложения, является среднегодовая скорость ветра VT, поскольку она определяет количество располагаемой энергии, приходящейся на единицу площади, которая может быть использована для выработки электроэнергии, установленная мощность ВЭУ Руст и расчетная скорость ветра Ур, при которой ветрогенератор развивает эту мощность. Установленная мощность определяет параметры системы передачи вращающего момента и электрической системы. Расчетная скорость ветра совместно с установленной мощностью определяет диаметр ветроколеса и высоту башни. Таким образом, эти три параметра определяют размеры ВЭУ и ее годовую выработку энергии.
Исследования выполнены для значений Vг, изменяющихся а диапазоне от 3,6 до 10,7 м/с, но основное внимание уделена рассмотрению значений Vг = 5,4 и 8 м/с. Установленная мощность рассмотрена в пределах от 50 до 3000 кВт.
Представленные на рис. 20 зависимости стоимости энергии и капитальных вложений ВЭУ построены для Vг = 5,4 и 8 м/с и для выбранных Ур=9,3 и 11,5 м/с соответственно. Кривые построены по материалам предварительного проекта и являются наиболее точными.
Рис. 20. Зависимость удельных капитальных вложений К (а) и стоимости энергии сэ (б) от установленной мощности ВЭУ Руст при среднегодовых скоростях ветра Vг = 5,4 и 8,0 м/с.
Результаты исследования показывают, что среднегодовая скорость ветра на участке является самым важным параметром, влияющим на выработку энергии и капитальные вложения, и для заданных среднегодовой и расчетной скоростей ветра стоимость энергии и капитальные вложения сильно не изменяются с изменением установленной мощности ветроэнергетической установки, когда рассматриваются точки в области, близкой к минимальному значению.
Для того чтобы иллюстрировать сказанное, рассмотрим кривую для Vг = 8 м/с на графике стоимости энергии. Мимимум стоимости соответствует Pyct « 2300 кВт. Кривая является пологой в области этой точки, так что установленная мощность может быть изменена на несколько сотен киловатт в любую сторону без значительного изменения стоимости энергии, что позволяет иметь значительную свободу в выборе других параметров, таких, как, например, диаметр ветроколеса и минимальная рабочая скорость ветра. Указанное обстоятельство дает проектировщику гибкость в выборе параметров, облегчающую удовлетворение специфических требований потребителей, ограничений по конструкторскому риску, требований по экономическим показателям и по эксплуатации ветроэнергетической установки.
Выбор систем для предварительного проекта, который осуществлялся в ходе выполнения оптимизационных расчетов и других количественных и качественных исследований, привел к тому, что для этапа предварительного проекта были приняты ветроэнергетические установки с двумя уровнями установленной мощности: меньшей — 500 кВт и большей— 1500 кВт. ВЭУ мощностью 500 кВт имеет ветроколесо диаметром 45,7 м и оптимальна для участков с Vг = 5,4 м/с, ВЭУ мощностью 1500 кВт имеет ветроколесо диаметром 54,9 м и оптимальна для участков с VT — 8 м/с.
Основные характеристики ВЭУ, выбранных для предварительного проекта приведены ниже.
* Целесообразность выбора диаметра ветроколеса равным 54,9 м подтверждается расчетами по условию получения минимума стоимости энергии, которые были выполнены впоследствии на основе данных предварительного проекта (см. рис. 20).
Приспособленность к работе на различных участках состоит в том, что выбранные ВЭУ могут быть использованы в районах с: Vp = 3,6-t-10,7 м/с (рис. 21).
Рис. 5.21. Зависимость стоимости энергии сэ от IV. 1 — при использовании ВЭУ, оптимальной для Vr=8,0 м/с; 2 — то же для Vr =5,4 м/с; 3 — при использовании обеих установок
Линия оптимальных ВЭУ проведена через нанесенные на график точки, соответствующие ВЭУ с минимальной стоимостью энергии, для данной среднегодовой скорости ветра. ВЭУ мощностью 500 кВт была оптимизирована для Vг = 5,4 м/с, и, следовательно, соответствующая ей линия пересекает линию оптимальных ВЭУ в точке А. Линия ВЭУ мощностью 1500 кВт пересекает линию оптимальных ВЭУ в точке В при соответствующей этой ВЭУ проектной Vr = 8 м/с. Значительные области указанных линий настолько близки друг к другу, что выбранные ВЭУ двух мощностей перекрывают диапазон Vг = 4н-10 м/с с потерями в стоимости энергии менее чем 0,5 % ВЭУ мощностью 500 кВт может быть использована на участках с Vrsc; 6,3 м/с, где соответствующая ей линия пересекается с линией ВЭУ мощностью 1500 кВт (точка С), а ветрогенераторы мощностью 1500 кВт — на участках с Vг 6,3 м/с.
80 В. и
Рис. 22 Зависимость стоимости ветроколеса Кв от его диаметра D для Vг = 8,0 и 5,4 м/с.
Рис. 24. Зависимость стоимости электрической системы Ко от РуСТ (для зон с любой Vr).
Рис. 25. Зависимость стоимости опорной конструкции Коп от диаметра ветроколеса D при Vг = 8,0 и 5,4 м/с.
Основной вывод заключается в том, что проекты обеих ВЭУ могут обеспечить соответствие предъявляемым требованиям для участков с широким диапазоном среднегодовых скоростей ветра, охватывающим наиболее перспективные области США. Это означает, что требуются только два типа ВЭУ, которые можно производить в условиях серийного выпуска стандартных компонентов, обеспечивающего улучшение экономических показателей ВЭУ! Стоимость основных систем ВЭУ легко может быть представлена как функция диаметра ветроколеса или установленной мощность в зависимости от того, что является более представительным аргументом для конкретной рассматриваемой системы. Например, стоимость ветроколеса (рис. 22) — функция, главным образом, его диаметра, тогда как стоимость системы передачи вращающего момента (рис. 23) является в основном функцией установленной мощности ветрогенератора.
Рис. 26. Зависимость дополнительных капитальных вложений Кя от диаметра ветроколеса D при V,.— = 8,0 и 5,4 м/с.
Рис. 27. Зависимость стоимости-энергии сэ от диаметра ветроколеса D при Vг = 8,0 и 5,4 м/с.
Зависимости на графиках рис. 22—27 построены по результатам анализа влияния параметров на стоимость систем, выполненного на стадии предварительного проекта, после того как основная часть исследовательских работ была закончена.
Стоимость системы передачи вращающего момента значительно выше для низшей из рассматриваемых среднегодовых скоростей ветра, потому что в этом случае оптимальные ветроколеса имеют больший диаметр и меньшую частоту вращения и, следовательно, создают больший вращающий момент. При определении стоимости опорной системы принято, что расстояние от конца опущенной вниз, лопасти до поверхности земли составляет 15,2 м для обоих случаев.
Стоимость системы управления принята постоянной, не зависящей от размера ветроколеса и установленной мощности. Система, описанная ниже, включает только электрические и электронные устройства, которые управляют работой ветроколеса и механизма ориентации, и выполняет функции, связанные с телеизмерением и управлением при аварийных ситуациях.
Тенденции изменений стоимости ветроэнергетической установки определены по тенденциям изменений стоимости систем, полученным ранее для параметричесской модели предварительного проекта. Прямые капитальные вложения как функция установленной мощности и стоимость энергии в зависимости от диаметра ветроколеса показаны на рис. 20 и 27. Видно, что ветрогенераторы, производящие энергию с минимальной стоимостью, не обязательно имеют наименьшие удельные капитальные вложения.
Требования к ВЭУ и их применению в энергосистемах определяются целью поднять в будущем их роль в производстве электрической энергии. Следовательно, они должны быть экономически конкурентоспособными и признаны энергосистемами и общественностью. Кроме того, энергосистемы заботятся и о том, чтобы без затруднений обеспечивались связь ВЭУ с существующими сетями и безопасная и надежная работа. Общественное одобрение будет зависеть, главным образом, от решения вопросов безопасности эксплуатации ВЭУ, соображений экологического характера и от того, как строительство ВЭУ повлияет на месячные счета потребителей электроэнергии.
Комплекс вопросов возникает вследствие введения в энергосистемы хорошо видимых издалека ВЭУ. Наиболее важными вопросами являются принципиальное отношение энергосистем к строительству ВЭУ, организация финансирования и выбора генерирующей структуры энергосистем, федеральные и внутриплатные правила, включая вопросы разрешения строительства ветроэнергетических установок и вопросы безопасности, наконец, воздействие на окружающую среду и одобрение общественности.
Прежде эти вопросы подробно не изучались. Поэтому было выполнено предварительное исследование, чтобы получить общие представления об этих проблемах. Большая информация и консультации были получены от энергокомпаний и фирм.
Отношение энергосистем к строительству ветроэнергетических установок определилось по мнениям двух энергосистем, консультировавших по вопросам перспективного использования ВЭУ. Эти энергосистемы резко отличаются по взглядам на перспективное развитие. Northeast Utilities (NU) представляет собой энергосистему с суммарной мощностью 5500 МВт, включая 1100 МВт атомных станций. Будущее развитие энергосистемы предполагается, главным образом, за счет наращивания их суммарной мощности. Colorado Springs Public Utilities (CSPU) представляет собой муниципальную энергосистему с мощностью всего 320 МВт. Эта компания имеет электростанции, работающие на газе, мазуте и угле. Основное проектируемое развитие мощности энергосистемы CSPU будет происходить за счет сжигания угля.
В ходе дискуссий определены следующие важные факторы, которые могут воздействовать на точку зрения энергосистем относительно строительства ветроэнергетических установок в перспективе.
Стоимость топлива является главным фактором; она стимулирует данное научное исследование. Однако проблема стоимости топлива ощущается одними энергосистемами острее, чем другими. Энергосистемы, которые сильно зависят от жидкого топлива, особенно от импортируемого, ощущают проблему в наибольшей степени. Энергосистемы, использующие низкокалорийный сернистый уголь, гидроэнергию и ядерную энергию, ощущают изменения в стоимости топлива меньше. Наиболее вероятно, что в ближайшем будущем в использовании ВЭУ больше всего будут заинтересованы фермеры.
Экологические проблемы, привлекающие внимание общественности, поддерживаемой теперь законом, заставляют энергосистемы искать экологичные пути развития электроэнергетики.
Улучшать защиту от загрязнения воздушной и водной среды и внешний вид энергообъектов. В будущем эти обстоятельства могут препятствовать сооружению экономически оптимальных электростанций. В связи с остротой этих проблем энергосистемы могут проявлять больше заинтересованности в сооружении ветроэнергетических установок, несмотря на их возможные недостатки в части экономики.
Модель нагрузки энергосистемы и ее прироста. Энергосистемы считают, что, до тех пор пока не будет сделано значительных достижений в области аккумулирования энергии, главная роль ветроэнергетических установок будет заключаться в экономии топлива. При наличии ветра они могут быть подключены к сети и вытеснять энергию электростанций, работающих на органическом топливе, уменьшая таким образом издержки на топливо. Ценность ВЭУ в этом случае, очевидно, определяется стоимостью сэкономленного топлива и сравнительной эффективностью вытесняемых генерирующих установок.
В связи с тем, что останов и пуск больших базовых установок, таких, как ядерные реакторы, в принципе недопустимы, ветрогенераторы будут наименее эффективны как средство экономии топлива в течение периодов минимальных нагрузок. Наоборот, когда они могут вытеснить энергию наименее эффективных установок, которые вводятся в работу только в периоды пика нагрузки, их использование будет наиболее эффективно. Таким образом, для определения эффективности использования ветрогенерации в конкретной энергосистеме необходимо сравнить суточные и сезонные изменения графика нагрузки с моделью суточных и сезонных изменений скоростей ветра. В идеальном случае желательно, чтобы самые ветреные периоды, суточные и сезонные, совпадали с максимальными нагрузками.
Прогнозируемый рост нагрузки — также существенный фактор. Энергосистемы с избыточной мощностью, достаточной для покрытия роста нагрузок, будут, вероятно, скорее склоняться к тому, чтобы мириться с высокой стоимостью топлива и не вкладывать капитал в увеличение мощности энергосистемы, не являющейся крайне необходимой. Это особенно приемлемо в условиях выполнения расширенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на удешевление и повышение эффективности ВЭУ в будущем. В этом случае энергосистема с достаточной мощностью будет, вероятно, в ближайшей перспективе склоняться к отсрочке приобретения ВЭУ.
Таким образом, энергосистемы не против строительства ветрогенераторных установок как средства экономии топлива. Энергосистемы, испытывающие острый дефицит в топливе, приобретающие его по очень высокой цене и нуждающиеся в увеличении мощности, являются наиболее вероятными потребителями ВЭУ в ближайшем будущем.
Оценка затрат на развитие ветроэнергетики в энергосистемах основывается на обычных для энергосистем финансовых процедурах и предположении об использовании ветрогенераторов большой единичной мощности.
Ниже приведены принятые показатели срока службы систем ВЭУ, принципы финансирования предприятия и распределения доходов:
Срок службы динамических систем, лет...... . . . 30
Срок службы конструкционных систем, лет......... 50
Финансирование, %:
за счет кредита....... ............ 50
за счет капитала организаторов предприятия....... 50
Возврат капитала, %:
по кредиту....................... 9
по капиталу организаторов предприятия......... 11,5
Амортизация*, лет..................... 30
Норма налога на корпорацию, %.............. 48
* Равномерная.
Прямые капитальные вложения складываются из затрат на Производство, транспортировку, строительство и наладку ветроэнергетических установок на строительной площадке, приобретение участка и его подготовку, закупку вспомогательного оборудования и обеспечение безопасности эксплуатации. Средняя стоимость произведенной энергии за срок службы системы включает возврат капитала, процент на капитал, налоги, эксплуатационные издержки и затраты на техническое обслуживание.
В параметрическую модель, разработанную ранее, были включены подпрограммы, аналогичные используемым в службе NU процедурам оценки ежегодных изменений возврата капитала, процента на капитал и налогов.
Издержки по эксплуатации и техническому обслуживанию приняты такими, как они установлены службе NU для подобных электростанций и оборудования, за исключением издержек по техническому обслуживанию ветроколеса, которые были основаны на экспериментах фирмы Kaman с вертолетами. Ежегодные эксплуатационные издержки были установлены равными 1,5 % прямых капитальных вложений. В издержки входят оплата обслуживающего персонала и связанные с эксплуатацией непрямые и накладные расходы.
Выполнение требований техники безопасности при эксплуатации ветроэнергетических установок не представляет трудностей. Беспокойство вызывает только возможность отрыва льда от лопастей. Хотя это и мало вероятно, законы штатов могут потребовать создания вокруг ВЭУ буферной охранной зоны.
Имеется также опасность действий злоумышленников, в особенности на участках, оставляемых без надзора. Ограждение, освещение и другие мероприятия уменьшают эту опасность, но не могут полностью ее ликвидировать. Трубчатая башня с лестничным маршем внутри будет способствовать охране ветроэнергетических установок, так как уменьшается возможность доступа посторонних людей в башню и к оборудованию, расположенному в головке.
Безопасность эксплуатационного персонала должна обеспечиваться главным образом во время технического обслуживания ВЭУ. Требования по безопасности эксплуатационного персонала должны быть согласованы с OSHA и соответствовать промышленным стандартам. Установленные в энергосистемах правила, регламентирующие меры безопасности персонала, осуществляющего техническое обслуживание оборудования, должны быть расширены чтобы приспособить их к особым условиям обслуживания ВЭУ.
Техническое обслуживание ВЭУ, за исключением, возможно, ветроколеса, не вызывает затруднений. Система передачи вращающего момента, электрическая система и связанная с ними система управления имеют аналоги во многих технических устройствах, эксплуатируемых в настоящее время энергокомпаниями, и требования по обслуживанию этих систем могут быть легко выполнены при использовании приемов, уже применяемых на практике.
ВЭУ может длительно работать в удаленном пункте и без обслуживающего персонала. Поэтому ее надежность и продолжительность срока службы рассматриваются как особенно важные показатели. Имеет большое значение также способность системы управления определить наличие критической ситуации в ВЭУ и осуществить ее автоматический останов без повреждений.
Профилактическое техническое обслуживание должно быть простым и требоваться не чаще 1 раза в месяц. Основное обслуживание, включающее возможную разборку некоторых систем и замену частей, должно выполняться ежегодно. Профилактический осмотр башни и других конструкций должен быть предусмотрен по плановому графику один раз в 10 лет. Только при видимом износе или повреждении разборка основных динамических узлов с их удалением с рабочего места должна производиться ранее, чем предусмотрено по графику, зависящему от числа работы данного узла. Должна предусматриваться возможность ремонта тяжелых узлов на месте без снятия их с башни. Следует избегать применения специальных инструментов и оборудования, которыми не располагают энергосистемы; персоналу, обслуживающему ветрогенераторы, должно быть достаточно производственных навыков, которыми обладает персонал энергосистем.
Вопрос воздействия на окружающую среду в последние годы) находит все большее отражение в проектах электростанций. Взгляды на воздействие различных объектов энергосистем на окружающую среду зависят от конкретных местных условий, планируемых организационных мероприятий и других менее важных факторов. Воздействие на окружающую среду ВЭС, известное и предполагаемое, должно рассматриваться в совокупности с другими проблемами производства энергии, такими, как дефицит и высокая стоимость органического топлива, которые оказывают смягчающее влияние на решение вопроса о допустимости экологических воздействий ВЭС. Обычно такое рассмотрение стимулирует строительство ВЭС. Кроме того, ВЭС не загрязняют воздушную и водную среду, что является в настоящее время важным фактором для энергосистем.
Существуют два основных вопроса экологического характера, связанных со строительством ВЭС: создание шума работающими ВЭУ и влияние ветроэнергетических систем на ландшафт.
Шум при работе ВЭУ создается ветроколесом, подшипниками и генератором. Есть надежда, что уровень шума будет ниже допустимого и ветроэнергетические системы будут размещены на достаточном расстоянии от населенных пунктов. Указанные обстоятельства могут позволить исключить вопрос создания шума работающими ВЭУ из числа существенных.
Влияние ВЭС на ландшафт является экологическим вопросом, по которому легко может возникнуть полемика. Маловероятно, что мощные ветрогенераторы при большом их количестве можно разместить так, чтобы избежать создания отрицательного визуального эффекта.
Задача состоит не просто в том, чтобы расположить ВЭУ дальше от населенных центров, которым нужна энергия. Удаленное расположение установок увеличивает потери в линиях электропередач и уменьшает их эффективность. Поэтому желательно изыскивать возможность располагать ВЭУ на рассредоточенных площадях, где возможно ослабление их отрицательного визуального воздействия. Но самое рациональное размещение ветрогенераторов в отношении местного распределения скоростей ветра может быть не лучшим с эстетических позиций. Создание гармоничного цветового фона может до некоторой степени улучшить положение. Энергокомпания CSPU в ряде случаев использовала систему окраски, декоративные растения, простую изгородь и панели для того, чтобы замаскировать основания мачт линий электропередачи и трансформаторных подстанций, и это дало положительный результат.
Имеется единодушное мнение, что трубчатая башня будет иметь более приятный внешний вид, чем стальная ферма. Энергосистемы будут иметь возможность использовать любую располагаемую технику, чтобы сделать ветрогенераторы не очень бросающимися в глаза.
Разрешение на строительство ВЭС, как и других электростанций нового типа, может явиться для энергосистем долгой и дорогостоящей процедурой. Имеются некоторые особые моменты, связанные с получением разрешения на строительство ВЭС, по которым требования пока не ясны. Энергосистемы соглашаются, что, как и для других электростанций, на строительство ВЭС должно быть получено разрешение администрации штата, но не ясно пока, будет ли требоваться отдельное разрешение для каждого участка или достаточно одного общего разрешения.
Направление использования ВЭС в энергосистеме будет определяться в конечном счете экономическими соображениями. Выполнен предварительный анализ по оценке допустимой стоимости ветроэнергетических систем для трех направлений их использования.
Рис. 5.28. Зависимость максимально допустимых удельных капитальных вложений для ВЭУ kmax от стоимости и вида замещаемого топлива ст .
Использование ветроэнергетических систем как средства экономии топлива рассматривается в качестве главного направления их применения. При этом ветроэнергетические системы подключаются в сеть в периоды, когда имеется ветер, в результате чего мощность, выдаваемая энергоустановками, сжигающими топливо, может быть снижена. Для экономии топлива может быть использовано любое количество ВЭУ. Допустимая стоимость ВЭС вычислена как функция стоимости сэкономленного топлива (рис. 28). Применение ВЭУ мощностью 1500 кВт при прямых капитальных вложениях приблизительно 480 долларов/кВт может рассматриваться как более эффективное, чем применение ГТУ, сжигающей относительно дорогой мазут марки 2, но менее эффективное, чем использование энергоустановок, сжигающих уголь или мазут марки 6. Для эффективности ВЭС в последнем случае их капитальные вложения должны быть снижены соответственно до 180 и 300 долларов/кВт.
Участие ветроэнергетических систем в покрытии базисной нагрузки возможно, если часть или вся их мощность выдается с высоким уровнем надежности. Использование ВЭС для покрытия базисной части графика нагрузки предполагает наличие большого количества ВЭУ, расположенных таким образом, чтобы извлечь выгоду из несинхронности изменений скоростей ветра на большой территории. Энергия, избыточная относительно базисной нагрузки, может быть использована для экономии топлива.
Анализ допустимой удельной стоимости ВЭС, участвующей в покрытии базисной нагрузки с дополнительной экономией топлива, был выполнен для ВЭС с суммарной установленной мощностью 1000 МВт, имеющей гарантированную мощностью базисной нагрузки 100 МВт с обеспеченностью, равной 0,7. Это означает, что с вероятностью 0,7 мощность 100 МВт будет выдаваться для удовлетворения требований по покрытию базисной нагрузки в любое время. При коэффициенте использования установленной мощности ВЭС, равном 0,35, она будет иметь эффективный коэффициент использования установленной мощности с точки зрения дополнительной экономии топлива приблизительно 0,315. Последнее значение получено в результате снижения общего коэффициента использования установленной мощности ВЭС, равной 1000 МВт, на 10%, которые создают гарантированную мощность для участия в покрытии базисной нагрузки. При анализе стоимость вытесняемой базисной энергии принята равной 3,5 цент/(кВт-ч) при значении топливной составляющей 2,35 цент/(кВт-ч).
В результате расчетов и прогнозов установлена допустимая стоимость ВЭС. Она равна приблизительно 510 долларов/кВт при их использовании одновременно как для покрытия базисной нагрузки, так и для экономии топлива, что сравнительно близко к значению 480 долларов/кВт, соответствующему использованию ВЭС только как средства экономии топлива при вытеснении энергии газовой турбинной энергоустановки.
При использовании ВЭС совместно с системами аккумулирования энергии аккумулирование рассматривается как средство получения дополнительной гарантированной мощности в энергосистеме в периоды пиковых нагрузок, несмотря на значительную изменчивость скоростей ветра. Пиковая мощность отличается от базовой тем, что она вытесняет мощность пиковых установок, таких, как ГТУ, к тому же избыток энергии, не требующийся для аккумулирования, идет, как и прежде, для экономии топлива. Кроме факторов, связанных с экономией топлива, при анализе использования ВЭС для покрытия пиковой нагрузки также рассматриваются годовые и суточные коэффициенты использования мощности, КПД аккумулирования и стоимость энергии вытесняемых пиковых установок. В рассматриваемом случае в допустимую удельную стоимость ВЭС включена стоимость аккумулирующих систем (рис. 29). Допустимая удельная стоимость, ВЭС построена как функция коэффициента использования максимальной суточной мощности для двух значений КПД аккумулирования. Результаты показывают, что как коэффициент использования максимальной суточной мощности, так и КПД аккумулирования значительно влияют на допустимую стоимость комплекса ВЭС — система аккумулирования.
Результаты экономической оценки возможного использования ВЭС в энергосистемах рассматриваются в сопоставлении с полученной стоимостью проектируемых ВЭУ.
По результатам детального экономического анализа капитальные вложения составляют приблизительно 900 долларов/кВт для ВЭУ мощностью 500 кВт и 480 долларов/кВт для ВЭУ мощностью 1500 кВт. Использование более мощной ВЭУ экономически целесообразней.
Рис. 29. Зависимость максимальных удельных капитальных вложений kmax для ВЭУ с аккумулированием энергии от коэффициента использования максимальной суточной мощности и КПД аккумулирования.
Капитальные вложения в ВЭУ 480 долларов/кВт сопоставимы с оценкой в 500 долларов/кВт допустимых капитальных вложений при использовании ВЭУ только как средства экономии топлива при замещении выработки энергии ГТУ. Однако при сравнении с энергоустановками, использующими в качестве топлива уголь или мазут марки 6, ВЭУ мощностью 1500 кВт в настоящее время оказываются неконкурентоспособными. Смогут ли ВЭУ в будущем конкурировать с такими энергоустановками, зависит от того какими темпами будет расти стоимость топлива и снижаться стоимость ВЭУ в процессе их усовершенствования.
Использование ветроэнергетических систем только для экономии топлива оценивается как наиболее перспективное направление в настоящее время. В этом случае ВЭС могут представлять собой как одиночную установку, так и мощные многоагрегатные электростанции и, следовательно, широко использоваться как большими, так и малыми энергосистемами.
При использовании ветроэнергетических систем в качестве средства экономии топлива при одновременном их участии в покрытии базисной нагрузки прогнозируемые капитальные вложения для ВЭУ мощностью 1500 кВт ненамного меньше, чем допустимые капитальные вложения, равные 510 долларов/кВт. Предположения, сделанные при анализе, оптимистичны, однако если даже участки с необходимыми ветровыми условиями могут быть найдены, должны потребоваться производство очень большого количества ВЭУ и соответствующие дополнительные затраты на линии электропередачи, которые не были приняты в расчет при оценке капитальных вложений по ВЭС. Это увеличит стоимость ветроэнергетических систем в будущем.
Несмотря на то что такое направление использования энергии ветра требует большого количества ВЭУ, только около 10 °/о суммарной установленной мощности, применительно к рассмотренному примеру, будет добавлено к базовой мощности. По существу, такая ВЭС является все же главным образом средством экономии топлива и имеет нерегулярный характер выдаваемой мощности. В связи с тем что в рассматриваемом случае требуется большое количество ВЭУ и скорее всего ВЭС сможет обеспечивать только небольшую базовую мощность, представляется, что такое использование энергии ветра имеет ограниченные возможности с точки зрения экономической эффективности для типичной энергосистемы в обозримом будущем.
Прогнозируемые капитальные вложения, связанные с ВЭУ мощностью 1500 кВт, примерно равны допустимой стоимости при использовании ВЭС как средства экономии топлива с участием в покрытии пиковой нагрузки. Однако они несколько занижены, так как не учитывают вынужденных простоев ВЭС. Анализ допустимой стоимости предполагал также, что аккумулированная ветровая энергия должна замещать дорогостоящую энергию, вырабатываемую ГТУ. Если вытесняется менее дорогая энергия других генерирующих установок, допустимая стоимость ВЭС соответственно ниже. Жизнеспособность ВЭС при таком их использовании зависит от возможности разработки недорогих и эффективных аккумулирующих систем.
Анализ различных направлений использования ветроэнергетических систем выполнен для того, чтобы оценить за относительно большой период времени экономическую эффективность их создания для типичной энергетической системы. Были исследованы направления, не требующие отклонений от современной промышленной практики и установленных норм, регламентирующих работу энергосистем и определяющих структуру и резервную мощность, которые нелегко приспособить к изменчивой или пульсирующей генерирующей мощности, хотя и в случае такой мощности эти нормы могут быть полностью удовлетворены при специфических направлениях использования ВЭС. Их применение для питания определенных потребителей, которые могут работать при ожидаемых перебоях в энергоснабжении, соответствующих нормам, может открыть новые области использования энергии ветра.
Ценность электроэнергии, вырабатываемой ВЭС, при различных направлениях их использования в энергосистеме определяется размерами капитальных вложений, издержек по эксплуатации, техническому обслуживанию и стоимости вытесняемого топлива, прогнозируемой сравнительно большой северо-восточной энергосистемой, а также дефицитностью топлива в будущем. Эти факторы значительно изменяются при переходе к другим энергосистемам в различных частях страны и могут коренным образом измениться в будущем вследствие непредвиденных обстоятельств.
Если нефть и природный газ будут истощаться более быстро, чем прогнозируется, и это вызовет соответствующее увеличение стоимости топлива, то использование энергии ветра должно стать в США значительно более конкурентоспособным. В других частях мира, главным образом в слаборазвитых странах и даже в некоторых удаленных районах США, условия уже сегодня могут быть такими, что энергия ветра будет технически и экономически конкурентоспособной альтернативой энергоснабжения.