Состояние и перспективы использования ветроэнергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: «Состояние и  перспективы использования ветроэнергетики»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2011

 

   Возможность использования энергии ветра давно привлекает внимание человека. Ветровая энергия по своей сути является энергией Солнца, преобразованной в кинетическую энергию движущихся воздушных масс. Она широко использовалась еще в древности в Египте и на Ближнем Востоке для привода мельниц и водоподъемных устройств. В США на рубеже XIX-XX вв. для перекачки воды, привода различных механизмов и выработки электроэнергии использовалось около 6 млн ветровых установок. В Европе ветряная мельница появилась еще во времена крестовых походов (начало XII в.). В России количество ветряных мельниц к началу ХХ в. стало весьма значительным, и их использование приобрело государственное значение. В Беларуси в середине XIX века только в Гродненской губернии насчитывалось 258 ветряных мельниц.

   Потребление энергии, а вместе с ним и ее стоимость увеличиваются во всем мире, но ресурсы планеты истощаются, все большую тревогу вызывает состояние экологии. Вот почему постоянно растет интерес к нетрадиционным, экологически чистым источникам энергии - ветру, солнцу, волнам. Острую нехватку энергии испытывают фермеры, садоводы, вахтовики, геологи, животноводы. Возобновляемые источники энергии (такие, как ветроэнергетические установки) обладают положительными качествами - неисчерпаемостью и экологической чистотой. Эти два качества и послужили причиной бурного развития ветроэнергетики за последнюю треть века.

   Эксплуатация ветроустановок не требует топлива и воды, они могут быть полностью автоматизированы, отчуждаемая территория минимальна и по расчетам составляет 3 – 5 мІ/кВт установленной мощности. Эти установки практически полной заводской готовности, и для их монтажа требуется минимум времени (фундамент и подключение к сети). Вот почему ветроэнергетика бурно развивается.

   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.

    Следует отметить, что была разработана классификация силы ветра по шкале Бофора и изучено влияние ее на характеристики ветроэнергетических установок различных классов и условия их работы.

Сила ветра по шкале Бофора и  ее влияние на

 ветроустановки и условия их работы.

Баллы Боффора	Скорость ветра, м/с	Хар-ка  ветра	Наблюд. эффекты действия	Воздействие ветра на ВЭУ	Условия для работы ВЭУ
1	0,4 – 1,8	Тихий	Дым из труб слегка отклоняется на воде появляется рябь	Нет	Отсутствует
2	1,8 – 3,6	Легкий	Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливые волнения	Нет	Отсутствует
3	3,6 – 5,8	Слабый	Колеблются листья на деревьях, развиваются легкие флаги; на отдельных  волнах появляются барашки	Начинают вращаться  лопасти тихоходных ВЭУ	Плохие для всех установок
4	5,8 – 8,5	Умерен ный	Колеблются тонкие ветки  деревьев, поднимается пыль, на воде много барашков	Начинают вращаться колеса всех ВЭУ	Хорошие
5	8,5 - 11	Свежий	Начинают раскачиваться  лиственные деревья, все волны в  барашках	Мощность ВЭУ достигает 30% проектной	Очень хорошие

 

    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.

    Ветроколесо 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.

    Ветроколесо 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.

    Часто идет речь о малой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема для сельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителей в неэлектрофицированных районах и т.п. Во многих странах налажено серийное производство ветроустановок малой мощности. Например, в России НПО "Ветроэн" серийно выпускает установки мощностью 4 кВт с диаметром колеса 6 м.

   Следует отметить, что малая ветроэнергетика не требует больших территорий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующие условия.

   Выбор характеристик ветроколеса для ветроустановки в конкретных ветровых условиях определяется целями, которые перед ней ставятся. Обычно это требование максимизации производства энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива тепловыми станциями единой энергосистемы, либо обеспечение производства определенного минимума энергии даже при слабом ветре, чтобы, например, сохранить работоспособность насосов системы водоснабжения.

   Важнейшей характеристикой ветроколеса является его быстроходность, которая зависит от трех основных переменных: радиуса обметаемой ветроколесом окружности, скорости ветра, угловой скорости вращения колеса.

    По данным глобального совета по ветроэнергетике, в 2009 году в мире было создано такое количество ветряных электростанций, что по своей мощности они превышают 25 АЭС.

   Сделаем краткий обзор развития ветроэнергетики в различных регионах.

   Евросоюз 
   Развитию ветроэнергетики в Евросоюзе способствовала политика государств – членов ЕС, направленная на стимулирование использования возобновляемых источников энергии. Эта политика включает ряд финансовых стимулов, в том числе инвестиционные гранты и льготные тарифы, что в конечном итоге нацелено на обеспечение снижения выбросов парниковых газов. Директива ЕС по возобновляемым источникам энергии от 2001 года поставила перед каждым государством-членом ЕС цель получить к 2010 году определенную долю энергии из возобновляемых источников.

   Германия является европейским лидером в области ветроэнергетики. Ряд законов, в том числе Акт о возобновляемых источниках энергии от 2000 года, поощряют производителей ветровой электроэнергии через льготные тарифы, рассчитанные на 20-летний период с их постепенным снижением к концу периода. Иллюстрацией успеха такого механизма является большое количество мелких инвесторов, привлеченных в ветроэнергетическую отрасль, что привело к удвоению темпов ежегодного роста по сравнению с аналогичными показателями в 90-е годы. Проекты, связанные с развитием ветровой энергетики, также получают преимущества через земельное законодательство Германии, по которому каждая местная администрация должна выделять специальные территории для развития ветропарков.

    На территории Германии размещены и успешно действуют не менее 20 тыс. ветрогенераторов. Более того, их производство активно работает на экспорт - около 70% установок продаются внешним покупателям. Совокупная мощность немецких ветрогенераторов составляет 24 тыс. МВт. Для сравнения: аналогичной показатель мощнейшей ГЭС в России - Саяно-Шушенской - составляет 6,4 тыс. МВт.

    Германия ставит перед собой амбициозную задачу: к 2050 году более 80 процентов энергии должно добываться из альтернативных источников.

Испания быстро наращивает мощности ветроэнергетики с середины 1990-х годов, стимулируя этот процесс национальным льготным тарифом и политикой, основанной на реновации региональной промышленности. Во многих провинциях застройщики получают доступ к строительным площадкам, только выполняя условие содействовать развитию промышленной базы ветроэнергетики. В результате, например, ранее отсталая, но имеющая большой ветровой потенциал провинция Наварра (Navarra) достигла высокого уровня экономического развития. Вообще эта страна в смысле альтернативных источников энергии бьет все рекорды, так в 2008 году  40,8% всей ее энергии было получено при помощи ветра.

    Значительных успехов в области ветроэнергетики добилась Дания. Этому способствовали как благоприятные географические условия, так и тарифная политика правительства страны. Подсчитано, что в Дании при среднегодовой скорости ветра чуть более 5 м/с, удельная годовая производительность ВЭУ достигает 937 кВт·ч/мІ.

    В Дании построена первая ветроэлектростанция “морского базирования”. 2009 год стал рекордным для производителей ветродвигателей, компаний Siemens Wind Power и Vestas Wind Systems, базирующихся на территории Дании. По данным, предоставленным Датской ветроэнергетической ассоциацией, эти компании осуществили поставку около 90% оборудования на новые европейские ветропарки морского базирования. В настоящее время Дания осуществляет до 70% мирового оборота рынка ветроэнергетических установок.

    К мировым лидерам в области ветроэнергетики присоединяются страны «второй волны», включая Португалию, Францию, Великобританию, Италию, Нидерланды и Австрию.

    В Португалии сильная государственная политика, поддерживаемая системой фиксированных тарифов, обеспечила рост мощностей со 100 МВт в 2000 г. до более 1 000 МВт к концу 2005 г.

    В Италии, заявившей в 2001 году о развитии возобновляемых источников энергии в сочетании с системой зеленых сертификатов, мощности ветроэнергетики увеличились в 2005 году на 452 МВт и достигли 1 700 МВт.

Северная Америка

    Подъем рынка ветроэнергетики в США происходит прежде всего благодаря введению трехлетнего льготного периода для ветровой индустрии. Льготный период обеспечивается на федеральном уровне за счет Производственного налогового кредита. В результате ветровая индустрия способна превышать рекордные показатели своего развития еще несколько лет подряд.

    Необходимо отметить, что в США, как и в Европе, за последние 15 лет себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС, удалось снизить в несколько раз. Объясняется это, прежде всего, внедрением новых технологий.

   Так, лопасти ветроколес, изготовляемые в настоящее время из стеклопластика или древесины, пропитанной эпоксидной смолой, удалось увеличить до 40 м и даже более (в 80-е гг. рекордными считались лопасти в 13 м). Это позволило в последние годы строить более мощные ветроустановки, а значит – увеличивать выработку электроэнергии. Если в начале 80-х гг. средняя единичная мощность ВЭУ составляла 50 кВт, то к концу 90-х гг. она возросла до 500 – 750 кВт. За счет увеличения мощности себестоимость электроэнергии снизилась в 3 раза. Другие новшества, определившие повышение экономичности, - переменная частота вращения ветроколес, а также системы управления ВЭУ, реагирующие на изменение скорости ветра (ветроустановка Zond Z мощностью 750 кВт). 
    Благодаря стимулированию на федеральном и местном уровнях, направленному на развитие, ветроэнергетика Канады в 2005 году показала впечатляющий рост - 54%. Важным вкладом, оживившим канадский рынок, стала поддержка в виде акта «О стимулировании ветровой энергетики». Некоторые провинции также осуществляют политику, стимулирующую развитие проектов в области ветроэнергетики, в том числе через размещение заказов на возведение новых ветропарков.