УДК 622.82; 631.41 Дзензерский Виктор Александрович проф., д.т.н. директор

УДК 622.82; 631.41
Дзензерский Виктор Александрович
проф., д.т.н.
директор
Бурылов Сергей Владимирович
с.н.с., к.ф.-м.н.
зав. отделом
Тарасов Сергей Васильевич
с.н.с., к.т.н.
зам. зав. отделом
Скосарь Вячеслав Юрьевич
с.н.с., к.ф.-м.н.
Институт транспортных систем и технологий НАН Украины
г. Днепропетровск, Украина
ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОУСТАНОВОК И АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ
РЕШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМНЫХ НЕДР
APPLICATION OF WIND STATIONS AND STORAGE BATTERIES
FOR SOLVING ENERGY AND ECOLOGICAL PROBLEMS OF USE OF
THE EARTH’S INTERIOR
Введение.
В настоящее время для активно разрабатываемых угольных
бассейнов, рудных месторождений и объектов инфраструктуры горной
промышленности характерна проблема наличия больших неиспользуемых
в хозяйстве территорий различных отвалов, которые сильно ухудшают
экологическую обстановку. Указанной проблеме был посвящен пленарный
доклад на предыдущей конференции «Неделя горняка-2012» [1]. В докладе
были намечены некоторые пути решения энергетических, экономических и
экологических аспектов данной проблемы недропользования. Для
освоения территорий предлагалось использовать теплицы для
выращивания с/х культур. Водообеспечение теплиц предлагалось
организовать путем обессоливания шахтных вод, теплообеспечение
хозяйства предлагалось решить за счет тепловых насосов, питаемых
теплом шахтных вод. Вместе с тем, остается актуальным вопрос
энергообеспечения, поскольку существует необходимость в источниках
электроэнергии для питания тех же тепловых насосов. Кроме того, в
сильно загрязненных местностях выращивание с/х культур может быть
проблематичным, поскольку в местах выработок не только почва и вода,
но и воздух содержит большое количество вредных веществ: горючих
газов, продуктов горения, окислов углерода, азота и серы, пыли,
радиоактивных составляющих, тяжелых металлов. Сильно загрязнены
отвалы Донбасса (как на территории РФ, так и в Украине), которые
64
занимают огромную площадь (до 150 км2, и в одной Донецкой области
Украины до 50 км2) и представляют собой очень неровную местность,
холмистую высотой до 100 м, с углом откоса до 40° [2, 3].
Поэтому актуальной задачей является решение энергетических и
экологических вопросов использования земных недр, связанных с
территориями отвалов угольных шахт и др. месторождений. Проработке
этой задачи и посвящена настоящая статья. Авторы решили для начала
ограничиться примером Донбасса (расположенного на российской и
украинской территориях), а также Курской магнитной аномалии (КМА),
эксплуатация которой привела к изъятию из с/х оборота более 300 км2
плодородных земель [4].
1. Современный уровень разработок.
По мнению многих специалистов, к наиболее эффективным и
дешевым способам уменьшения вредного влияния отвалов относится
фиторекультивация. Такому подходу посвящено множество публикаций
российских и украинских авторов, см. например [2-6]. Пленарный доклад
[1] «Недели горняка-2012» также можно отнести к этой группе разработок.
Для успешной фиторекультивации нужен не только оптимальный подбор
высаживаемых растений, но и решение др. вопросов, в частности,
обеспечения
электроэнергией
рекультивируемой
территории.
Электроэнергию обычно приходится подводить извне. В случае, если
отвалы находятся в районе практически не работающих шахт и рудников,
в условиях прекращения подачи электроэнергии от внешних источников,
может оказаться выгоднее использовать автономные энергетические
установки для электроснабжения рекультивируемой территории. В этой
связи интересна разработка украинских авторов, защищенная патентом РФ
[7]. В ней предложено использовать ветроустановки для электроснабжения
работ по проветриванию открыто-подземных горных выработок.
Ветроустановки предложено размещать на терриконах шахты, на отвалах и
поверхностях карьера. В качестве накопителей энергии для работы при
слабом ветре предложено использовать аккумуляторы. Указанная
разработка охватывает лишь один аспект – энергообеспечение работ по
проветриванию горных выработок, но еще необходимо проработать
вопросы оптимального использования ветроустановок и аккумулирующих
систем для любой части рекультивируемой территории, а также
соответствующие экологические вопросы.
Авторы настоящей работы уже докладывали о перспективах
использования свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных
батарей в горной промышленности [8, 9] на предыдущей «Неделе горняка2012». Опираясь на перечисленные результаты, предлагаем такой путь
решения поставленной задачи.
65
2. Решение задачи.
Суть нашей разработки состоит в том, что предлагается использовать:
- ветроустановки малой (до 30 кВт) и средней мощности (30-500 кВт)
для выработки электроэнергии прямо на территории отвалов и
рекультивируемых земель;
- свинцово-кислотные аккумуляторы в качестве накопителей энергии;
- инверторы для преобразования электрической энергии (в
переменный или постоянный ток).
Поскольку геологическая и гидрогеологическая характеристика зон
отвалов
неблагоприятна
–
встречаются
просадочные
грунты,
подтопляемые территории, усилена эрозия почв и пр., то ветроустановки
не должны быть массивными и не должны требовать мощного фундамента
под опоры. Этим условиям соответствуют ветроустановки малой и средней
мощности.
Так как рельеф отвалов холмистый, с возвышениями до 100 м,
большим углом откоса до 40°, то ветровой поток будет характеризоваться
завихрениями, непостоянством скорости и направления. В этом случае
рациональным решением будет использование вертикально-осевых
ветроустановок.
В зависимости от розы ветров ветроустановки можно располагать
следующим образом [10]:
А) при явно выраженном преобладающем направлении ветра:
А.1) располагать рядами перпендикулярно ветру с расстоянием между
ветроустановками вдоль ряда не менее 3-х диаметров ротора и
расстоянием между рядами не менее 7-ми диаметров ротора;
А.2) располагать равносторонними треугольниками с расстоянием
между ветроустановками не менее 3-х диаметров ротора.
Потери электроэнергии, в зависимости от расстояний между рядами
или между ветроустановками, будут составлять: порядка 15% (расстояние
между рядами 7 диаметров ротора), порядка 9% (расстояние между рядами
10 диаметров ротора), порядка 10% (расстояние между ветроустановками в
равностороннем треугольнике 3 диаметра ротора), порядка 3% (расстояние
между ветроустановками в равностороннем треугольнике 5 диаметров
ротора).
В) при равномерном распределении ветра в течение года:
В.1) по кругу;
В.2) по кривой линии на равном расстоянии друг от друга не менее 5
диаметров ротора.
Потери электроэнергии будут составлять: порядка 5% при расстоянии
5 диаметров ротора; порядка 3% при расстоянии 7 диаметров ротора.
Ветроустановки будут не только производить электроэнергию,
которую инверторы преобразуют в любой удобный вид, но и выполнять
роль защиты от ветровой эрозии. Такая защита реализуется за счет отбора
примерно 50% мощности ветрового потока, проходящего через ротор. А
так как опоры у ветроустановок рассматриваемых классов имеют, как
66
правило, высоты не более 40 м, то заметно снизится скорость ветра и у
основания опор, т.е. у поверхности земли. С экологической точки зрения
целесообразнее размещать ветроустановки на незащищенных и
плохозащищенных от ветровой эрозии участках, где менее всего
растительности.
По пессимистическим данным, среднегодовая скорость ветра в
Донбассе оценивается в 5,2 м/с при высоте флюгера 10 м. Коэффициент
использования установленной мощности Киум (отношение фактически
выработанной энергии к максимальной энергии, выработанной при
постоянной работе в течение года) будет порядка 25% [10]. Аналогичные
показатели для региона КМА, в зависимости от района – 4,9-6,1 м/с и,
соответственно, 20-30% [11].
Величина Киум в ближайшей перспективе должна возрасти, поскольку
в мировой практике наметилась тенденция к снижению минимальной
скорости ветра, при которой ветроустановки начинают генерировать
электроэнергию. В частности, нами разрабатываются конструкции
вертикально-осевых ветроустановок малой или средней мощности, в
которых используется новый тип магнитного подшипника для ротора, что
должно снизить потери из-за трения вращающихся частей, а также усилить
чувствительность ротора к слабому ветру. Подана заявка на изобретение.
Электроэнергию от ветроустановок можно подавать для работы
тепловых насосов (рис. 1), обеспечивающих теплом объекты
рекультивируемой территории, например, теплицы [1], или направлять к
накопителям энергии (рис. 2), или сочетать оба варианта.
В качестве накопителей энергии удобно использовать относительно
дешевые
и
доступные
свинцово-кислотные
аккумуляторы
и
аккумуляторные батареи, которые ныне выпускаются заводами МНПК
«ВЕСТА» и Курского аккумуляторного завода. По техническим
параметрам наиболее употребимые аккумуляторы для горношахтных,
металлургических комплексов, это стационарные батареи 60 В емкостью
280-1150 А∙ч для АТС, 220 В емкостью до 1500 А∙ч для ТЭЦ,
электрических
подстанций.
Для
напольного
электротранспорта
(погрузчиков, штабелеров, буксировщиков) это тяговые батареи 24, 36, 48
и 80 В емкостью 165-630 А∙ч. В условиях, когда отдельные объекты
закрываемых шахт и рудников продолжают еще работать, заряд или
подзарядку
указанных
свинцово-кислотных
аккумуляторов
и
аккумуляторных батарей можно осуществлять от ветроустановок.
67
Рис. 1. Схема работы автономной энергетической установки
(непосредственное электроснабжение потребителей):
1 – ветроустановки, 2 – инверторы, 3 – тепловые насосы,
4 – др. потребители электроэнергии.
Рис. 2. Схема работы автономной энергетической установки
(накопление электроэнергии в аккумуляторах):
1 – ветроустановки, 2 – инверторы, 3 – стационарные аккумуляторы,
4 – стартерные батареи.
Опыт эксплуатации автономных энергетических установок,
наработанный специалистами МНПК «ВЕСТА», показывает, что во
68
многих случаях вместо стационарных батарей можно использовать
стартерные батареи МНПК «ВЕСТА» при зарядке от ветроустановок. Их
зарядно-разрядные характеристики не в полной мере соответствуют
условиям работы в составе накопительных систем ветроустановок. Это,
конечно, обусловливает снижение срока эксплуатации по сравнению со
специализированными стационарными накопителями. Однако, указанный
недостаток в значительной мере компенсируется их относительной
дешевизной. Более частая замена комплектов свинцово-кислотных
стартерных батарей фактически аналогична приобретению дорогостоящих
стационарных аккумуляторов в кредит.
Для условий украинского Донбасса срок окупаемости таких
автономных энергетических установок оценивается в 7-11 лет, в
зависимости от использования зонного или зеленого тарифов, согласно
законодательству Украины [10]. Показатели ветра для региона КМА не
хуже, чем для Донбасса, поэтому с технической точки зрения срок
окупаемости не должен быть больше, чем для российского Донбасса.
Выводы.
Авторы разработали способы решения энергетических и
экологических вопросов по рекультивации территорий отвалов угольных
шахт и рудников добывающей промышленности. Предложено
использовать автономные энергетические установки на основе
вертикально-осевых ветроустановок малой и средней мощности и
свинцово-кислотных аккумуляторов. Дальнейшая техническая и
экономическая проработка намеченных в статье решений будет
способствовать рациональному использованию земных недр.
Литература.
1. Пивняк Г.Г. Post mining: технологический аспект решения
проблемы/ Г.Г. Пивняк, А.Н. Шашенко, П.И. Пилов, М.С. Пашкевич //
Труды международного симпозиума „Неделя горняка - 2012“: Сборник
статей. Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического
бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and
Analytical Bulletin (scientific and technical journal). – М.: Горная книга. –
2012. – №ОВ1. – С. 20–31.
2. Воздействие отвалов угольных шахт // [Электронный ресурс] Сайт
«Добыча
полезных
ископаемых»
–
режим
доступа:
http://coroma.ru/ecolog/ecolog02.htm
3. Родына Р.А. Основные проблемы окружающей среды в угольной
промышленности // [Электронный ресурс] Вестник СЭС (Донецк). – 2008.
– режим доступа: http://www.ukrrudprom.ua/digest/dfdrerdr050208.html
69
4. Территориально-производственный комплекс Курской магнитной
аномалии [Электронный ресурс] / Экономическая география России.
Учебное пособие. – М.: ИНФРА-М, 1999. – режим доступа:
http://www.bibliotekar.ru/economicheskaya-geografia/280.htm
5. Торохова О.Н., Агурова И.В. Динамика засоления и влажности
субстратов отвалов угольных шахт Донбасса / // [Электронный ресурс]
Промышленная ботаника. – 2009, вып. 9. – С. 97-100. – режим доступа:
http://www.nbuv.gov.ua/portal/chem_biol/Pb/2009_9/pdf/09tondda.pdf
6. Капитонов
Д.Ю.Биологическая
рекультивация
отвалов
вскрышных пород в районе КМА // [Электронный ресурс]
Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского
государственного аграрного университета, 2012. – № 75. – С. 784-793. –
режим доступа: http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1007170
7. Пат. 2082010 Российская Федерация, МПК7 E21F 1/00. Способ
проветривания открыто-подземных горных выработок / Зберовский А.В.,
Собко Б.Е., Сливной А.В.; Заявитель и патентообладатель Государственная
горная академия Украины. – № 2005139391/09; заявл. 07.08.92; опубл.
20.06.97, Бюл. № 31. – 12 с.: ил.
8. Бурылов С.В., Дзензерский В.А., Скосарь В.Ю. Разработка новых
технологий изготовления аккумуляторов для горной промышленности:
изготовление
токоотводов
//
Научный
вестник
Московского
государственного горного университета. – № 4 (25). – C. 8-13.
9. Бурылов С.В., Дзензерский В.А., Скосарь В.Ю. Разработка новых
технологий изготовления аккумуляторов для горной промышленности:
технология
формирования
//
Научный
вестник
Московского
государственного горного университета, 2012. – № 6 (27). – C. 52-61.
10. Предварительное
технико-экономическое
обоснование
строительства ОАО «Энергомашспецсталь» ветровой электростанции в
Краматорске: отчет о НИР (промежуточ.). 621.548 / ИТСТ НАН Украины
«Трансмаг»; рук. Дзензерский В.А; исполн. Тарасов С.В. – Дн-ск, 2009. –
90 с. – № Г.Р. 0109U004254. – Инв. № 04534333943.
11. Скорости ветра в России и строительство ветряных
электростанций (ВЭУ). / [Электронный ресурс] Сайт «Новая генерация» –
режим доступа к публикации: http://www.manbw.ru/analitycs/windrus.html
Аннотация
Разработаны способы энергоснабжения и улучшения экологической
обстановки рекультивируемых территорий: зон отвалов шахт и рудников
предприятий угольной и металлургической промышленности.
Some ways of power supply and improvement of ecological conditions of
recultivated sites are developed: the zones of mining dumps of colliery and
ironworks.
70
Ключевые слова
ветроустановки, свинцово-кислотные аккумуляторы, энергетические и
экологические вопросы, отвалы шахт и рудников
wind stations, lead-acid storage batteries, energy and ecological problems,
mining dumps
71