Ветровая энергетика

Содержание

Введение 3

Принцип действия ветрогенератора 5

Ветроэнергетика за рубежом 6

Ветроэнергетика в России 10

Заключение 12

Список использованной литературы 14

 

 

 

 

Введение

 

Энергия ветра — это  преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тоже возобновляемый источник энергии. Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикян и живших одновременно с ними других народов, и ветряные мельницы.

В принципе, преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно — для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом их существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполне понятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.

Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров А.Г.Уфимцева и В.П.Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная  ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена. В настоящее время в СССР выпускаются серийные ветроагрегаты мощностью 4 и 30 кВт и готовятся к выпуску более мощные установки 100 и даже 1000 кВт. Делаются первые шаги по пути перехода от единичных автономных ВЭС к системам связанных в единую сеть многих ветроагрегатов большой мощности. Первая такая система должна быть сооружена около поселка Дубки в Дагестане.

Значительные успехи в  создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100- 200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт. 

Одна из наиболее известных  установок этого класса "Гровиан" была создана в Германии, ее номинальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4 МВт.

Всего в мире в настоящее  время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.

Ветроэнергетические  установки  (ВЭУ)  достигли  сегодня  уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения.

Принцип действия ветрогенератора

1. Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
2. Инвертор, выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
3. Аккумулятор, предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

 

Мощность  ВЭУ находится в прямой зависимости  от диаметра ветроколеса, высоты мачты  и силы ветра. В настоящее время  производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 м до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ — G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/сек она может вырабатывать мощность 60 ватт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи. 

Ветроэнергетика за рубежом

 

Ветроэнергетические  установки  (ВЭУ)  достигли  сегодня  уровня коммерческой зрелости и в местах с среднегодовыми скоростями ветра более 5 м/сек успешно конкурируют с традиционными источниками электроснабжения. Преобразование энергии ветра в механическую, электрическую или тепловую осуществляется в ветроустановках с горизонтальным или вертикальным расположением вала ветротурбины. 

Наибольшее  распространение  получили ветроэнергетические установки с горизонтальной осью ротора , работающие по принципу ветряной мельницы. Турбины с горизонтальной осью и  высоким коэффициентом быстроходности обладают наибольшим значением коэффициента использования энергии ветра ( 0,46-0,48). Ветротурбины с вертикальным расположением оси менее эффективны (0,45) , но обладают тем преимуществом, что не требуют настройки на направление ветра.  Наибольшее распространение из сетевых установок сегодня получили ВЭУ с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 $/кВт и имеет тенденцию к снижению.  ВЭУ мегаваттного класса построены в ряде стран и на сегодняшний день находятся  на  стадии  экспериментальных  исследований  или  опытной эксплуатации.

Во многих развитых странах  существуют  Государственные  программы развития возобновляемых источников энергии, в том числе и ветроэнергетики. Благодаря этим программам решаются научно-технические,  энергетические, экологические, социальные и образовательные задачи. Генераторами проектов возобновляемых источников энергии в Европе являются  исследовательские центры ( Riso, SERI( в настоящее время NREL), Sandia,ECN, TNO, NLR, FFA, D(FV)LR, CIEMAT и др.), университеты и заинтересованные компании. В 1994 году, в Мадриде, на конференции “Генеральный план развития возобновляемых источников энергии в Европе” странами Европейского Союза была принята декларация. В “Мадридской декларации” были сформулированы цели по достижению 15% уровня использования возобновляемых источников энергии в общем потреблении энергии в странах Европейского Союза до 2010 г.

В 1994 г. в странах Европейского Союза установленная мощность солнечных батарей, мини гидроэлектростанций и ветроэнергетичских установок составила 5.3 Вт, к 2010  году  предполагается  смонтировать  оборудование  с установленной мощностью 55 Вт. Поставленные цели достигаются решением задач в области политики, льготного налогового законодательства, государственной финансовой поддержки через научно-технические программы, льготного кредитования,  создания информационной сети, системы образования, стажировок, продвижения высоких технологий, созданием рабочих мест на  производствах и подготовки общественного мнения.

Благоприятные условия для  развития энергетики позволят к 2020 г. увеличить потребление электрической энергии на 30% в том числе за счет возобновляемых источников энергии на 15%. Доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке 15%, по оптимистической оценке 16%.

 В 1990 г. новые возобновляемые источники энергии составили 164 Mtoe (1,9 %) от общей потребляемой энергии. В 1994 г. во  всем  мире установленная мощность ветростанций составляла 3200  MW  ,  1400  MW приходилось на Европу.

Ежегодно в Европе установленная  мощность ветроагрегатов составляет 200 MW При благоприятных условиях прирост  установленной  мощности  может cоставить 800 MW. Наиболее эффективными по наращиванию установленной мощности ветростанций являются программы стран Европы , Китая, Индии , США, Канады. Ежегодный оборот за счет продаж ветропреобразователей в странах Европы составляет 400 MECU.

Более 10 крупнейших банков  Европы  инвестируют ветроэнергетическую индустрию. Более 20  крупных  Европейских  частных инвесторов финансируют ветроэнергетику.

Стоимость ветровой энергии  зависит в основном от следующих 6 параметров:

• инвестиций в производство ветроагрегата ( выражается как отношение $/кв. м - цена одного кв. метра ометаемой площади ротора ветротурбины);
• коэффициета полезного действия системы;
• средней скорости ветра ;
• доступности;
• технического ресурса.  

За последние три десятилетия  технология использования энергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевых ветроагрегатов WECS. В этом направлении  достигнуты  значительные  успехи.

 Многие  тысячи современных установок WECS оказались полностью конкурентоспособными по отношению к обычным источникам энергии. Существующие электрические сети осуществляют транспортировку электроэнергии вырабатываемые ветропарками в различные регионы. В последние годы интенсивно стали развиваться технологии использования энергии ветра в изолированных сетях. В изолированных сетях электропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много раз выше, чем в  централизованных  сетях  электропередач.  Установки,  производящие электроэнергию, обычно основаны на  небольших  двигателях  внутреннего сгорания , использующих дорогостоящее топливо ,  когда расходы на транспортировку  только  топлива  часто  поднимают  стоимость  единицы произведенной энергии в десятки раз от стоимости энергии  в  лучших централизованных сетях электропередач. В небольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являются  гораздо  более  гибкими: современный комплект генераторов на дизельном топливе можно запустить , синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чем за две секунды. 

Преобразование  энергии  ветра  является  альтернативным возобновляемым источником энергии, чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новые исследования технической  осуществимости  проектов  использования ветроустановок совместно с дизельгенераторами  в изолированных сетях показывают ,что мировой потенциал для независимых систем WECS даже выше, чему систем WECS, подключенных в обычные сети электропередач. Указанные системы были построены в 1985-1990 г.г. Их эксплуатация выявила необходимость совершенствования систем, создания автоматизированного управления.

 

Ветроэнергетика в России

 

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования  аэродинамики  ветряка , осуществленные в ЦАГИ , заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полную глухоту к новациям и  экологическим  проблемам  надолго  затормозило  развитие ветроэнергетики.

Выпускаемые “ Ветроэном” ветроустановки  не  отвечали современным  требованиям  и  представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии.

Толчком для дальнейшего  продвижения  и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа “Экологически чистая энергетика”.

Для участия и  получения  финансирования  были  отобраны  лучшие  проекты ветроэнергетических установок  различных  классов  по  мощности.  Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт , 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт. Начавшаяся перестройка, развал экономики и прекращение финансирования по программе не позволила довести указанные проекты до коммерческого уровня. Почти все проекты остались на уровне опытных и макетных образцов. Опытный образец ветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ “Радуга”, который организовал кооперацию  предприятий авиационной промышленности.

Разработка,  изготовление  и  строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и успешно работает , вырабатывая 2300-2900  тыс.  кВт ч электроэнергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ “ Радуга” были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8кВт и 250  кВт.

 Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики “ Energobalance Sovena” совместно с Германской фирмой  Husumer  SchiffsWert  (HSW)  были  изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Сегодня возможны следующие  сценарии развития ветроэнергетики  в России:

• закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов;
• трансферт западных технологий и организация производства в России ; кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагегатов в России;
• организация производства  собственных  ветроагегатов,  ноу-хау которых защищено международным законодательством.

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим  налоговым  законодательством,  монополией  производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства. 

 

Заключение

 

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку  близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот, и считайте сами, какую площадь придется отвести для ВЭС мощностью 4 млн.кВт. При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но  вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных  потоков  с  непредсказуемыми последствиями.

Неудивительно, что во многих странах, в том числе  в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает — везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей  80  м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд. долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2%  электроэнергии  от  уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это — пока только проект.