Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція (англ.Wind turbine pumped storage hydropower plant) — комплекс гідро- та вітроенергетичних споруд і обладнання для гідроакумулювання та виробництва електроенергії. Комбінована вітро- гідроенергетична станція може бути такою ж надійною та потужною, як і звичайна велика енергетична станція, так як вона оптимально поєднує у собі переваги різних відновлювальних енергоресурсів. У вітряну погоду вітрові турбіни піднімають воду із нижньої водойми у верхню. накопичуючи потенціальну енергію. У безвітряну погоду гідроагрегати виробляють електричну енергію. використовуючи кінетичну енергію накопиченої води.
Важлива властивість автономної ВГАЕС — незалежність її від сезонних коливань стоку, тож, вона має суттєві переваги у порівнянні з «класичною» вітровою електростанцією, яка працює виключно в режимі виробництва електроенергії.
Об'ємні (масові) витрати води гідроагрегатами електростанції QHPP в одиницю часу (м3/с) визначаються із співвідношення: QHPP = PHPP/(ρHD·g·HST), де PHPP — потужність ГЕС в ідеальному випадку, без врахувань втрат на проміжних етапах перетворення енергії води в електричну енергію, PHPP = PHD, PHD — потужність водяного потоку, HST — водяний напір, ρHD — густина води, g — прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с2.
Об'єм водосховища (змінний об'єм води VRes в його резервуарі, або об'єм води, який проходить через гідроагрегати протягом доби): VRes = QHPP·tHPP.
Кількість електроенергії ЕHPP-EL, яка може бути вироблена за певний час роботи гідроагрегатів, дорівнює добутку їх електричної потужності PHPP-EL на час роботи t: ЕHPP-EL = PHPP-EL·t.
Вартістьелектричної енергії PPRΣ, яка може бути вироблена за певний період роботи гідроагрегатів електростанції, дорівнює добутку ціни 1 кіловат-години pPR на кількість електроенергії ЕHPP-EL (3): PPRΣ = pPR·ЕHPP-EL.
Електрична потужність вітрових агрегатів, яка забезпечить цілодобову роботу гідроагрегатів турбіни, знаходиться з умови рівності електричної енергії, яка виробляється гідроагрегатами гідроакумулювальної електростанції ЕHPP-EL та енергії, яка витрачається вітроагрегатами гідроакумулювальної електростанції ЕWPP-EL для заповнення водосховища вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції: ЕHPP-EL = ЕWPP-EL.
Величини електричної енергії, яка виробляється гідроелектростанцією і витрачається вітровою електростанцією, можна виразити через електричні потужності гідроагрегатів PHPP-EL та вітроагрегатів PHPP-EL і час tHPP, tWPP, протягом якого працюють гідроагрегати та вітроагрегати, тоді попередній вираз прийме вигляд: PHPP-EL·tHPP = PWPP-EL·tWPP.
Сумарна потужність вітрових агрегатів PWPP-EL може бути знайдена також через параметри вітрового потоку та конструктивні параметри вітрових енергетичних установок: PWPP-EL = kWA·PWPP = kWT·kWG·PWPP = 0,5·kWT·kWG·ρWD·АWT·vWD3,
де kWA, kWT, kWG — коефіцієнти корисної дії вітроагрегату, вітротурбіни та вітрогенератора відповідно, kWA = k WT·kWG.
Продуктивність водоперекачувальної системи (швидкість заповнювання водосховища вітроагрегатами) QWPP визначається із співвідношення: QWPP= PWPP-EL/(ρHD·g·HST).
Формула для визначення площі поперечного перерізу повітряного потоку, яка забезпечує електричну потужність PWPP-EL, має вигляд: АWPP = PWPP-EL/(0,5·kWT·kWG·ρWD·vWD3) = 2(tHPP/tWPP)·PHPP-EL/(kWT·kWG·ρWD·vWD3).
Потужність вітрових енергетичних установок обмежена, тож, відбору вітрової енергії з усієї площі поперечного перерізу повітряного потоку можна досягти використанням NWT вітрових енергетичних установок електричною потужністю PWA-EL кожна. Охват вітрової турбіни АWT визначається конструктивними параметрами вітрової турбіни, зокрема, довжиною лопаті (радіусом ротора) RWT:
АWT = π·RWT2.
Кількість вітроенергетичних установок у станції NWA визначається відношенням: NWA = АWPP/АWT.
Радіусротора вітротурбіни RWT у цьому випадку дорівнює
RWT = √(АWT/π).
Кількість органічного викопного палива (наприклад, об'єм VOFFприродного газу) з питомою теплотворною здатністю сOFF, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції протягом року, розраховується наступним чином: VOFF = ЕHPP-EL/(kOFF сOFF).
Таблиця 1. Параметри ВГАЕС підвищеної потужності на основі руслово-греблевих ГЕС
Гідроенергетика
Потужність гідротурбін, МВт
20
40
60
80
100
Витрати води за 1 с., х 102, м3
2
4
6
8
10
Об'єм водосховища, млн м³
17,3
34,6
51,8
69,1
86
Енергія за 1 рік, х107, кВт·год
17,3
34,6
51,8
69,1
86
Вартість е-енергії за 1 рік, х106, US$
17,3
34,6
51,8
69,1
86
Вітроенергетика
Потужність ВЕС, МВт
48
96
144
192
240
Накопичення води за 1 с., м3
480
960
1440
1920
2400
Накопичення води за 10 год., млн. м3
17,3
34,6
51,8
69,1
86
Енергія ВЕС за 1 с., МДж
48
96
144
192
240
Аби забезпечити стабільну вихідну потужність 100 МВт, ВГАЕС на основі існуючої руслово-греблевої ГЕС повинна використовувати 100 одиниць ВЕУ сумарною площею обхвату вітротурбін 2220·103 м2 і потужністю 2,4 МВт кожна. Така ВГАЕС спроможна щосекунди підняти на висоту 10 метрів (у верхнє водосховище) води, накопичити за 10 годин роботи 86·106 м3 води й надати можливість штатним гідротурбінам ГЕС загальною потужністю 100 МВт працювати безперервно протягом 24 годин. ВГАЕС потужністю 100 МВт дозволяє виробити протягом року 86·107кВт·годелектроенергії вартістю US$86 млн. За 10 років вартість виробленої електроенергії складе US$860 млн. Проте, вартість електричної енергії, яку виробляє ВГАЕС, не дає повної картини її цінності, так як не менш суттєвими є її екологічні переваги — за 10 років роботи ВГАЕС дозволяє заощадити 238·107 м3 природного газу і, таким чином, зменшити викиди парникових газів в атмосферу. Тож, природно, що вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція може бути використана для збільшення маневрових та регулювальних потужностей об'єднаної енергетичної системи. Порівняння потужностей руслово-греблевої електростанції PHPP та вітротурбінної гідроакумулювальної електростанції PWTPS, створеної на основі цієї руслово-греблевої ГЕС, свідчить на користь ВГАЕС, бо PWTPS " PHPP. Інтеграція вітроенергетичних та гідроенергетичних систем дозволяє повніше використати гідроенергетичний потенціал природних водяних стоків та підвищити енергоефективність існуючих гідроенергетичних споруд. Також відпадає необхідність створення додаткових водойм для гідроакумулювання енергії. Спільне використання гідроенергетичних та вітроенергетичних систем розширяє сферу використання відновлюваних джерел енергії та знижує екологічне навантаження на густонаселені райони.
Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція на основі руслово-греблевої ГЕС
Суттєві енергетичні та екологічні позитиви властиві вітро-гідроенергетичним системам, створеним на базі існуючих руслово-греблевих ГЕС. У таких комбінованих агрегаціях вітряні електростанції, окрім прямої генерації електричного струму, використовуються для повертання «відпрацьованої» води у водосховище для повторного виробництва енергії із застосуванням штатних гідроагрегатівГЕС. У такий спосіб вдається продовжити в часі робочий режим гідроелектростанцій (збільшити коефіцієнт використання встановленої потужностіГЕС), підвищити стабільність параметрів електричного струму в електромережі і, таким чином, підвищити енергоефективність усієї гідроенергетичної споруди. Що дуже важливо, споруди та обладнання комбінованих вітро-гідроенергетичних систем можуть бути застосовані для виконання функцій класичних гідроакумулювальних електростанцій, тобто, для використання надлишку енергії з електричної мережі при її перевиробництві та пониженому попиті для накопичення потенціальної енергії води, враховуючи великий обсяг вільних місткостей водосховищ, нагадаємо, тільки у водосховищахДніпровського каскаду ГЕС час від часу внаслідок обміління він становить 5…8 км3.
Сидоров В. І. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.
Сидоров В. І. Вітротурбінні технології гідроакумулювання / Промислова електроенергетика та електротехніка. — 2016. — № 6. — с. 14-24
Сидоров В. І. Безгреблеві гідроелектростанції на основі занурених та напівзанурених гідротурбін / Промислова електроенергетика та електротехніка. — 2017. — № 3 (105). — с. 18-26
Сидоров В. І. Зваблення скіфа. Етюди / Черкаси: Вертикаль. Видавець Кандич С. Г. 2016. — 316 с.