Современные ветровые электростанции

Содержание

Введение 
 
Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергия ветра — это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер— это тоже возобновляемый источник энергии. Следует заметить также, что потенциал энергии ветра огромен. Если, например, солнце по-разному обогревает разные участки земной поверхности — горы и долины, океаны и сушу, то ветры дуют постоянно и повсюду: начиная лёгким ветерком и заканчивая сильнейшими ураганами, как летом, так и зимой. Поэтому и понятно желание человека заставить энергию ветра работать на себя.  

История ветроэнергетики 
 
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. 
 
Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.[1] 
 
Вот что писал Карл Маркс о использовании мельниц в Европе до середины XVI в.:    
 
«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле».[2] 
 
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых. 
 
В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — 1526 г., Глочестер — 1542 г., Лондон — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей. 
 
Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.[1] 
 
Первая ветровая электростанция на территории бывшего СССР 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. 

Современные ветровые электростанции 
 
Активное использование экологически чистых источников  энергии  сейчас своего рода признак  хорошего  тона,  всячески  приветствуется  как мировой общественностью, так и правительствами развитых стран. Признанным лидером  в области ветроэнергетике являются  США  и  ФРГ, где  установленная  мощность ветроэнергетических установок  составила  в  1997  году  1590  и  1550  Мвт. Последующие места  занимают  Дания, Индия  и  Нидерланды.  В  этих  странах мощности  ветроэнергетических  станций  равнялась  825,  820  и   285   Мвт. 
 
Ветроэнергетическое  машиностроение  обособилось  в  отдельную  отрасль.  На мировом рынке действуют десятки достаточно крупных фирм. Имеются  тенденции к увеличению производства ветроэнергии во многих странах  мира,  например  в Дании,  в  настоящее  время ветроэнергетические  станции  обеспечивают   4% потребляемой в стране энергии, то в 2030 на их долю придется  половина  всей производимой в стране электроэнергии. 
 
Ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора, который,  и вырабатывает  электроэнергию.  Легко   показать,   что   выходная   мощность установки пропорциональна  площади  лопастей ветрового  ротора  и  скорости ветра.   Поэтому   ветроэнергетические   установки   большой   мощности,   в мегаваттном диапазоне,  должны быть  по  своим  габаритам  очень  крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой. 
 
Удивительно разнообразны конструкции современных ветроустановок. Питер Макгрэв из Англии разработал проект ветроэнергетической установки  мощностью 3 тысячи киловатт с двумя лопастями,  укрепленными  на  горизонтальной  оси. Известная  авиастроительная  фирма "Макдоннел  –   Дуглас"   спроектировала установку такого же типа, но с тремя лопастями.  А  западногерманская фирма "Мессершмит – Бёльков – Блом" разработала конструкцию ветроколеса с одной лопастью длинной 74 метра, установленной  на башне  высотой 120 метров. Мощность этого гиганта должна составить 5 тысяч киловатт.  Встречаются  и конструкции , где ветер должен вращать  устройство,  напоминающее  огромное велосипедное колесо, на котором вместо спиц укреплены лопасти. 
 
 Для  эффективной работы ветроустановок   необходимы   определенные требования  по  их  размещению.  Так,  для  относительно  постоянной работы ветроэнергетических установок требуется  их  размещение  в  местностях,  где ветровой потенциал составляет 2500 часов в год. Ветровые  условия   района   применительно к ветроиспользованию характеризуются ветроэнергетическим потенциалом,  который  включает  в  себя различные  показателя  ветра,  определяемые   по   результатам   многолетних наблюдений: среднегодовые и  среднемесячные  скорости  ветра; повторяемость скорости и направление  ветра  в  течение  года,  месяца,  суток; данные  о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра; изменения его с высотой и т. п. 
 
      Достоверность оценки ветрового потенциала местности – наиболее  важный фактор, определяющий  эффективность  ветроэнергетических станций.  В  общем случае для его определения необходимо проведение  непрерывных  наблюдений  в месте    предполагаемого    строительства   ветроэнергетических     станций продолжительностью не менее года.  При  проектировании  большого  количества ветроэнергетических станций эта задача требует огромных   трудозатрат, поскольку  для  каждой  ветростанции  рассматривается  несколько   вариантов площадок. 
 
Современные ветроэнергетические установки используют ветер  приземного слоя на высоте 50-70 м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для  мест строительства  крупных  ветроэнергетических  станций,  предназначенных для работы в мощных энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера  (10м) должна составлять не  менее  6  м(с.  Следует  учитывать,  что  наилучшим местом  для  размещения ветроустановки  является  гладкая,  куполообразная, ничем не затененная возвышенность.  Вообще  желательно,  чтобы  установка  в радиусе нескольких  сотен  метров   была   окружена   полями   или   водной поверхностью и ветроколесо было установлено достаточно высоко  над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветропоток был  сильным,  однородным с минимальными флуктуациями скорости и направления. 
 
Энтузиасты ветроэнергетики предлагают построить  в  наиболее  ветреных местах Земли группы  ветроагрегатов,  соединять  их  между  собой,  а затем полученную энергию передавать в энергетическую систему. Датские  специалисты предлагают разместить ветровые электростанции в море, где сила ветра  всегда больше,  чем  на  суше.  Они  подсчитали,  что  группа  из  двухсот  морских ветроагрегатов  может  выработать  за  год столько  энергии,   сколько   ее содержится в полумиллионе тонн угля. 
 
Далее стоит вопрос  выбора  расчетных  параметров  ветроэнергетических установок    для    заданного    (определенного    расчетным    путем   или экспериментально)  ветрового   потенциала,   т.   е.   выбора   экономически оптимального  размера  ветроэнергетической  установки.  Так,  например,   в Калифорнии   на   ветроэнергетической   станции   "Алтамон"   несоответствие выбранного  типоразмера  ветроэнергетической установки  и   действительного ветрового потенциала привело  к  тому,  что  установка  вырабатывает  50-60% расчетного количества энергии. Затем следует  обосновать  оптимальные  сроки службы и оптимальные показатели  надежности  ветроэнергетической  установки, решить вопросы   резервирования,   изучить   характеристики   потребителей, рассмотреть  область   целесообразного   использования  ветроэнергетических установок в зависимости от конкретных условий. 
 
   Ветроустановки классифицируются по следующим признакам: 
 
- положению ветроколеса относительно направления ветра; 
 
- геометрии ветроколеса; 
 
- по мощности ветроустановки. 
 
В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные – с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку. 
 
Ветроколеса с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции. 
 
Следует отметить, что ветроколеса  с  вертикальной  осью  вращения,  в отличие от таковых с  горизонтальной,  находятся  в  рабочем  положении при любом направлении ветра, однако  их  принципиальными  недостатками  являются большая подверженность  усталостным  разрушениям  из-за  возникающих  в  них автоколебательных процессов и  пульсация  крутящего  момента,  приводящая  к нежелательным  пульсациям  выходных параметров  генератора. Из-за этого подавляющее большинство  ветроагрегатов  выполнено  по  горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние   проработки   различных   типов вертикально-осевых установок. 
 
По мощности ветроустановки делятся на: малой мощности –  до  100  кВт, средней – от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного класса) – 0,5-4 МВт  и более.[3][4] 
 
Однако, несмотря на многие положительные черты ветроэнергетики, существует и ряд недостатков. Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит. 
 
Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно. 
 
Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности.  
 

Таблица 1. Возможности использования энергии ветра в СНГ

 
 
 
Как следует из приведенных выше цифр, мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках — 200-250 кВт. Но и при столь малых мощностях, ветроагрегаты — довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат "Сокол" мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12м (который принято называть "колесом", хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки "Гровиан" обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т.е. выше 30-этажного дома. И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает этот огромный аппарат сравнительно небольшую мощность — всего 3-4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре, средняя мощность оказывается и того ниже — порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0,11 %всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02% электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью4 млн. кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов. Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн. штук. При таких масштабах количество, как говорится, переходит в качество, и возникают проблемы совсем иного рода. 
 
Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т.е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб/кВт. В то же время, наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра 6 м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс руб. (в ценах 1989 г.), т.е. для нее капзатраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3-4 раза меньше максимальной, то реальные капзатраты составят порядка 20 тыс.руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС. [5] 

Перспективы развития 
 
Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. 
 
Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. 
 
Правительством Канады установлена цель к 2015 году производить 10 % электроэнергии из энергии ветра. Германия планирует к 2020 году производить 20 % электроэнергии из энергии ветра. Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить 40 тыс. МВт ветрогенераторов, а к 2020 году — 180 тыс. МВт. В Испании к 2011 году будет установлено 20 тыс. МВт ветрогенераторов. В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 году и до 30 тыс. МВт к 2020 году.  Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005 годом. К 2012 году будет построено 12 тысяч МВт новых ветряных электростанций. Новая Зеландия планирует производить из энергии ветра 20 % электроэнергии. Великобритания планирует производить из энергии ветра 10 % электроэнергии к 2010 году. Египет — к 2010 году установить 850 МВт новых ветрогенераторов. Япония планирует к 2010 — 2011 году увеличить мощности своих ветряных электростанций до 3000 МВт. Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить 1500 МВт. ветряных электростанций. 
 
Международное Энергетическое Агентство International Energy Agency (IEA) прогнозирует, что к 2030 году спрос на ветрогенерацию составит 4800 гигаватт.[6] 
 
Поскольку характеристики ветра внутри континента отличаются от характеристик ветра прибрежных зон и вблизи побережья, характеристики соответствующих ВЭУ (начальная скорость вращения, скорость достижения номинальной мощности и др.) также разнятся. Так, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации ВЭУ внутриконтинентального базирования ряда немецких фирм начинают работу со скоростей ветра 3,0-4,0 м/с и достигают номинальной мощности при скоростях 10-13 м/с. Следовательно, освоение ветроэнергетики в Беларуси необходимо вести, ориентируясь на ВЭУ зарубежного производства внутриконтинентального базирования. огласно мировой практике, типоряд ВЭУ В12 и В14 по номинальной мощности соответствует диапазону от 1 кВт до 1,5 МВт. При этом ВЭУ В12 для континентального базирования в Европе обладают диапазоном номинальной рабочей скорости ветра в центре ветродвигателя от 12 до 14 м/с, а ВЭУ В14 прибрежного и морского базирования имеют такую номинальную скорость более 14 м/с. Определен также типоряд ВЭУ В6, В8, В10 на соответствие ветровым климатическим зонам, характерным для равнинно-холмистой местности. Для типоряда ВЭУ В6, В8, В10 на уровне оси ветродвигателя номинальная рабочая скорость ветра соответственно распределяется в диапазонах 6-8 м/с, 8-10 м/с и 10-12 м/с. . 
 
Для ветроэнергетики Беларуси энергетический ресурс ветра практически неограничен. В стране имеется развитая централизованная электросеть и большое количество свободных площадей, не занятых субъектами хозяйственной деятельности. Поэтому размещение ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэлектрических станций (ВЭС) обусловливается только грамотным размещением ветроэнергетической техники на пригодных для этого площадях. Возможности приобретения зарубежной ветротехники весьма ограничены вследствие отсутствия достаточного выбора именно того оборудования для ВЭУ и ВЭС, которое соответствует климатическим условиям Беларуси, а также мощного противодействия ответственных административных работников от официальной энергетики. Отсутствие инфраструктуры по проектированию, внедрению и эксплуатации ветротехники и, соответственно, практического опыта и квалифицированных кадров можно преодолеть только в ходе активного сотрудничества с представителями развитой ветроэнергетической инфраструктуры зарубежья.  
 
Для первоначального этапа развития ветроэнергетики Беларуси определены 1840 площадок для строительства как одиночных ВЭУ, так и ВЭС с потенциалом более 200 млрд кВт(ч. Выявленные на территории Беларуси площадки под ветроэнергетику — это, в основном, гряды холмов высотой от 20 до 80 м с фоновой скоростью ветра 5 м/с и более, на которых можно возвести от 5 до 20 ВЭУ. Каждому внедрению должно предшествовать детальное обследование места строительства ВЭУ. Невыполнение условий по результатам обследований приведет к значительным ошибкам в оценке выработки энергии. При выборе конкретных образцов ВЭУ необходимо дополнительно учитывать ряд факторов, связанных с величиной фактического ветроэнергетического ресурса в месте непосредственного размещения ВЭУ. К таким факторам относятся: абсолютная высота местности, высота возвышения площадок и их открытость, отдаленность предполагаемого места размещения ВЭУ от потребителя и особенно от линий электропередачи, в т.ч. от трансформаторных подстанций и т.п. Выборочные обследования зон опытной эксплуатации ветротехнического оборудования на территории Беларуси показали, что при оптимальном выборе строительной площадки для возведения ВЭУ (на возвышениях и открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) окупаемость ВЭУ при среднегодовой скорости ветра 6-8 м/с укладывается в срок около 5 лет. Наиболее эффективно обеспечивается использование современной зарубежной ветротехники на территориях зон со среднегодовыми фоновыми скоростями не ниже 4,5 м/с на холмистом рельефе. К таким регионам относятся: возвышенные районы большей части севера и северо-запада Беларуси, центральная зона Минской области включая прилегающие с запада районы, Витебская возвышенность. Местами на обследуемых территориях возможно обнаружение не выявленной ранее энергоэффективной холмистости, а также других энергоэффективных площадок для строительства не только мощных ВЭУ, но и ВЭС (например, в продуваемых долинах большой протяженности, вблизи крупных водных массивов, на высоких откосах и т.п.). 
 
Исходя из ветроэнергетического потенциала только в Минской области насчитывается 1076 строительных площадок под размещение на каждой от 3 до 10 ВЭУ континентального базирования мощностью до 1000 кВт. Среднегодовая выработка только 10% этих ВЭУ в статистическом распределении времени работы в номинальном режиме от 2500 до 3300 часов в год на срок эксплуатации установок составляет около 2676 млн кВт(ч. Соответственно среднегодовая экономия жидкого топлива составит более 800 тыс. тонн. Сроки окупаемости капитальных вложений в ветротехнику сопоставимы со сроками окупаемости малых гидроэлектростанций, парогазовых и газо-мазутных электростанций и значительно ниже данных сроков для угольных, атомных и дизельных электростанций. По завершении срока окупаемости затраты на эксплуатацию ВЭУ неизмеримо ниже аналогичных затрат для электростанций, работающих на жидком, газообразном, твердом и ядерном топливе, т.к. не нуждаются в поставках ископаемых источников энергии. Следует учитывать, что ветроэнергетическая отрасль за счет каждой ВЭУ начинает вырабатывать энергию немедленно после монтажа и при этом не требует гигантских единовременных капитальных вложений, также как и концентрированных вложений при заменах по завершении сроков эксплуатации каждой отдельной ВЭУ. Основными препятствиями к развитию ветроэнергетики в Беларуси как путем внедрения зарубежной ветротехники континентального базирования, так и посредством организации производства собственных ВЭУ остаются проблемы финансирования работ по созданию ВЭУ и ВЭС, тарифной и налоговой политики, отсутствия льгот при закупке и эксплуатации ветроэнергетического оборудования, стандартизации и сертификации продукции.[7] 

Заключение 
 
Так как Беларусь не располагает собственными топливно-энергетическими ресурсами (лишь 15% собственных ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются — в основном из России), происходит постоянный рост цен на топливо и импортируемую электроэнергию, то для Беларуси чрезвычайно важно включать в топливно-энергетический баланс вторичные энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, одним из которых является ветер. С учётом того, что стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и имеет дальнейшие перспективы снижения цен относительно стоимости энергии АЭС, и уже сейчас способна конкурировать на рынке, для Беларуси очень важно найти средства и возможности для того, чтобы использовать данный вид энергии для своего же блага. 
 
В нашей стране энергия ветра может ежегодно производить 6,5 — 7 млрд кВТч электрической энергии, что эквивалентно использованию около 2 млн т у.т. в год. 

Список использованных источников 
 
1.     Алан Уатт, «Электроэнергия: варианты и выборы», «Книжное издательство», Торонто, (1986) 
 
2.     К. Маркс, «Машины. Применение природных сил и науки», «Вопросы истории естествознания и техники», вып. 25, М., изд-во «Наука», (1968) 
 
3.     В. А. Брылева, Л. Б., Воробьева «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии», Мн., (1996) 
 
4.     Д. Дэвинса, «Энергия», М.: Энергоатомиздат, (1985) 
 
5.     Соболь Я.Г.«Ветроэнергетика в условиях рынка» (1992-1995 гг.), Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.  
 
6.     Веб-ресурс www.wikipedia.org 
 
7.     В.Г. Пекелис, «Белэнергосетьпроект», Н.А. Лаврентьев, Международная академия экологии, Г.Г. Камлюк, Госкомгидромет Беларуси, Минск, журнал "Строительство и недвижимость".