Ветряная энергетика – преимущества и проблемы

              Министерство образования и науки республики

Казахстан                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

На тему: Ветряная энергетика – преимущества и проблемы

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Выполнил :

                                  Проверил:

                                         

 

 

 

 

 

Алматы – 2010

Содержание

1. Введение
2. История использования энергии ветра

3. Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

4. Использование энергии ветра

5. Перспективы
6. Экономические аспекты ветроэнергетики
7. Воздействие ветроэнергетики окружающей среде
8. Ветряная энергия опасна для человека?
9. Заключение
10. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере.

Энергию ветра относят  к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2009 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 157 гигаватт, увеличившись в шесть раз с 2000 года.

В мире назревает энергетический кризис. Экология оставляет желать лучшего. Люди все больше задумываются о том, чтобы пользоваться надежными, безопасными и экологичными альтернативными источниками энергии. Например – энергией ветров.

Существуют два вида ветровых электростанций: с горизонтальной осью - привычный всем пропеллер, и  станции с вертикальной осью вращения. Вторые, не смотря на то, что генератор у них находится под мачтой, и нет необходимости ориентировать конструкцию на ветер - менее популярны. Дело в том, что для их работы требуется более сильные ветра и внешний источник для запуска.  
 Ветровая электростанция, какой бы мощности она ни была, состоит примерно одинаково: мачта (производители предлагают несколько типов: попроще на растяжках, телескопические, монолитные - разница в занимаемой площади и цене), на вершине которой устанавливается контейнер с генератором и редуктором. Редуктор вооружен лопастями, улавливающими потоки ветра. Контейнер закреплен подвижно и способен разворачиваться вслед за ветром.  
 Выбирая ветряк, нужно в первую очередь определиться – для каких целей он будет вам служить, и сколько энергии вы рассчитываете от него получить. Одни из самых лёгких конструкций ветровых электростанций – мощностью до 300 Вт (примерная стоимость отечественных моделей: от 400 евро). Такая переносная ветровая электростанция легко умещается в багажнике автомобиля, устанавливается одним человеком за считанные минуты и способна обеспечить зарядку мобильных устройств, обеспечить освещение и возможность посмотреть телевизор. Такую ветровую электростанцию можно взять с собой в дорогу, иди установить на даче. Двух-, пяти- или десяти киловаттные ветровые электростанции смогут обеспечить необходимым количеством энергии дом, коттедж, магазин, кафе, кемпинг, даже ферму, ресторан, гостиницу или строительную площадку. Излишки энергии аккумулируются и используются в периоды затишья или когда энергии нужно больше, чем дает ветер. 
Ветровая электростанция мощностью в 20кВт вырабатывает количество энергии, достаточное для нескольких больших загородных домов, небольших посёлков, баз отдыха и т.д. Несколько таких электростанций смогут снабдить энергией даже завод.

К плюсам ветровых электростанций можно  отнести то, что они не загрязняют окружающую среду, им не нужно топливо  и, при определенных условиях, могут  конкурировать с традиционными  источниками энергии.  
 Минусов, к сожалению, тоже хватает: ветер от природы нестабилен и это затрудняет работу ветровых электростанций. Начальная скорость ветра, при которой ветряк начинает выработку электроэнергии составляет 1-3 м/с (зависит от модели). Номинальная мощность дотигается лишь при оптимальной скорости ветра конкретной модели (10-12 м/с). Важным моментом при выборе модели является среднегодовая скорость ветра в вашей местности. Например, при скорости 4 м/с (минимум, рекомендуемый большинством производителей) для небольшого дома потребуется агрегат мощностью 4 кВт.  
 Для накопления энергии, равномерной и стабильной работы электрики в доме используются аккумуляторы. Они сейчас довольно долговечны, но раз в 12-15 лет требуют замены. Те ветровые электростанции, что помощнее, не только дают больше энергии, но и создают шумы. Устанавливать ветряки нужно на таком расстоянии от зданий, чтобы уровень шума не превышал 40 децибел. В противном случае не избежать головных болей. Кроме того, ветровые электростанции способны создавать помехи для работы радио и телевизора. И, тем не менее, удобства и пользы от ветровых электростанций куда больше, чем проблем.  
Переход на подобные источники энергии не за горами. Быть может уже сейчас стоит начать подбор подходящего ветряка для своего коттеджа, или дачи.

 

История использования энергии ветра

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.

«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» (К. Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).

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.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Воздушные потоки у поверхности Земли/моря являются ламинарными, — нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность не прямопропорциональна скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в десять раз.

В августе 2002 года компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, вес гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 7,5 МВт для офшорного применения. В 2009 году турбины класса 1,5 — 2,5 МВт. занимали 82 % в мировой ветроэнегетике.

Наибольшее распространение  в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов — механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

Наиболее перспективными местами для производства энергии  из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению  с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Могут использоваться и  другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров. 5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.

 

Мощности ветрогенераторов и их размеры
Параметр	1 МВт	2 МВт	2,3 МВт
Высота мачты	50 м — 60 м	80 м	80 м
Длина лопасти	26 м	37 м	40 м
Диаметр ротора	54 м	76 м	82,4 м
Вес ротора на оси	25 т	52 т	52 т
Полный вес машинного отделения	40 т	82 т	82,5 т

 

 

 

 

 

 

Использование энергии ветра

В 2008 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 120 ГВт. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов.

В 2007 году в Европе было сконцентрировано 61 % установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20 %, Азии 17 %.

 

Страна	2005 г., МВт.	2006 г., МВт.	2007 г., МВт.	2008 г. МВт.	2009 г. МВт.
США	9149	11603	16818	25170	35159
Германия	18428	20622	22247	23903	25777
Китай	1260	2405	6050	12210	25104
Испания	10028	11615	15145	16754	19149
Индия	4430	6270	7580	9645	10833
Италия	1718	2123	2726	3736	4850
Франция	757	1567	2454	3404	4492
Великобритания	1353	1962	2389	3241	4051
Португалия	1022	1716	2150	2862	3535
Дания	3122	3136	3125	3180	3465
Канада	683	1451	1846	2369	3319
Нидерланды	1224	1558	1746	2225	2229
Япония	1040	1394	1538	1880	2056
Австралия	579	817	817,3	1306	1668
Швеция	510	571	788	1021	1560
Ирландия	496	746	805	1002	1260
Австрия	819	965	982	995	995
Греция	573	746	871	985	1087
Турция	20,1	50	146	433	801
Польша	73	153	276	472	725
Бразилия	29	237	247,1	341	606
Бельгия	167,4	194	287	384	563
Норвегия	270	325	333	428	431
Египет	145	230	310	365	430
Венгрия	17,5	61	65	127	201
Чехия	29,5	54	116	150	192
Болгария	14	36	70	120	177
Финляндия	82	86	110	140	146
Эстония	33	32	58	78	142
Украина	77,3	86	89	90	94
Иран	23	48	66	85	91
Литва	7	48	50	54	91
Люксембург	35,3	35	35	-
Аргентина	26,8	27,8	29	29
Латвия	27	27	27	27	28
Россия	14	15,5	16,5	-

 

Перспективы

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.

 

Экономические аспекты ветроэнергетики

Основная часть стоимости  ветроэнергии определяется первоначальными  расходами на строительство очень  дорогих сооружений ВЭУ.

Экономия топлива

Ветряные генераторы в процессе эксплуатации практически  не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Себестоимость электроэнергии

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра.

Скорость ветра	Себестоимость (для США, 2004 год)
7,16 м/c	4,8 цента/кВт·ч;
8,08 м/с	3,6 цента/кВт·ч;
9,32 м/с	2,6 цента/кВт·ч.

Для сравнения: себестоимость  электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.