Энергия ветра

Содержание:

 

Энергия ветра

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 п9нятны 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 (табл. 1).

Таблица 1. Наиболее крупные ветроэнергетические установки

Страна	Название установки	Диаметр рабочего колеса,м	Мощность, МВт
США	WTS-4	78	4
Канада	Eole	64	4
ФРГ	Growian	100	3
Великобритания	LSI	60	3
Швеция	WTS-3	78	3
Дания	Elsam	60	2

 

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 (табл.2.) . Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.

 

 

 

Таблица 2. Данные по БЭС в разных странах

Страна	Установленная мощность, МВт	Производство электроэнергии, ГВт/ч	Доля от установленных  мощностей страны, %
США	1300	1700	0,18
Мексика	265	—	1,0
Дания	140	—	1,7
ЮАР	50	—	0,2
Нидерланды	20	10	0,11
СССР	3	5	0,001

 

 

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в  единицу времени через площадь  в 1 м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики.

Ветровое колесо, размещенное  в свободном потоке воздуха, может  в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение  из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс.ч.

 В Канаде ведутся  работы по созданию крупных  ветровых установок с вертикальным  валом (ротор Дарье). Одна такая  установка мощностью 4 МВт проходит  испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса.

Расчетная скорость ветра  для больших ВЭУ обычно принимается  на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем  на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные установки  киловаттного класса, предназначенные  для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться  и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

 Сегодня в некоторых  промышленно развитых странах  установленная мощность ВЭУ достигает  заметных значений. Так, в США  установлено более 1,5 млн. кВт  ВЭУ, в Дании ВЭУ производят  около 3 °/о потребляемой страной  энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.

По мере совершенствования  оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими  энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость  электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт./ч, то сегодня она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально [57, 90,94].

В развивающихся странах  интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой  мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.

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. В таблице 3 приведены данные о доле на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ.

Табл. 3 Доля на рынке различных  типов ВЭУ в старых землях ФРГ

Расположение оси ротора	Доля на рынке, %
Вертикальноосевые установки	9
Горизонтальноосевые установки  из них: с наветреным расположением ротора за башней с подветренным расположением  ротора	91 77 14

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. В таблице 4 приведена структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ.

Табл. 4 Структура мощностей ВЭУ  в старых землях ФРГ

Класс мощности, кВт	Доля, %
10-19	11
20-49	19
50-149	34
150-500	26
401-1499	5
1500-5000	5

 

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.[ 184 ]. 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%.

В таблице 3. приведены  соотношения для выработки электроэнергии различными возобновляемыми источниками  энергии в странах Европы по оптимистическим и пессимистическим прогнозам до 2020 года. Прогноз составлен на основании анализа темпов прироста установленной мощности различных видов возобновляемых источников энергии в странах Европейского Союза. Доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке 15%, по оптимистической оценке 16%. Табл. 5

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5. Прогноз  развития возобновляемой энергетики.

Возобновляемые источники  энергии	В 2020 г. “Минимум”			В 2020 г. “Максимум” при благоприятной  политике поддержки
	Mtoe	%	Mtoe		%
“Modern” биомасса	243	45	561		42
Солнечная	109	21	355		26
Ветровая	85	15	215		16
Геотермальная	40	7	91		7
Мини ГЭС	48	9	69		5
Приливов и волн	14	3	54		4
Суммарная	539	100	1345		100