Общая характеристика ветровой энергетики

Введение

Мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это  поняли, они постоянно ощущали  на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяснить многие явления. Наблюдением за ветрами  занимались еще в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что  ветер приносит ту или иную погоду. Правда, греки определяли только направление  ветра. В Афинах около 100 г. до н. э. построили  так называемую Башню ветров с  укрепленной на ней «розой ветров» (башня существует по сей день, нет только «розы»). В Японии и Китае также были известны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов – чужие ветры.

Огромна энергия движущихся воздушных  масс. Запасы энергии ветра более  чем в сто раз превышают  запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле  дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне  которого мы живем. Ветры, дующие на просторах  нашей страны, могли бы легко удовлетворить  все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют  развивать ветроэнергетику на территории нашей страны. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Общая характеристика ветровой энергетики

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал  Земли равен 1200 ТВт, однако возможности  использования этого вида энергии  в различных районах Земли  неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося  воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической  энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических  машин привело к появлению  на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые  ветроэлектрические агрегаты предназначены  для снабжения электроэнергией  отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции  преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически  подключается к генератору в тот  момент, когда напряжение на его  выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также  автоматически отключается при  противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько  десятилетий назад. Самая крупная  из них мощностью 1250 кВт давала ток  в сеть электроснабжения американского  штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали  ремонтировать, поскольку энергия  от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что  за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь  его в работу, обходятся слишком  дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные  прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую  вертушку, другие – на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями  вместо спиц. Существуют агрегаты в  виде карусели или же в виде мачты  с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая  трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор  должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

Ветропотенциал Украины

Энергия ветра распределена по Украине  неравномерно. На юге страны ветропотенциал значительно выше, чем на севере. На суше наиболее благоприятны с точки зрения использования энергии ветра Крым, Карпаты (Львовская, Ивано-Франковская, Закарпатская, западная часть Черновицкой области), побережье Черного и Азовского морей, (Одесская, Николаевская, Херсонская, Запорожская и Донецкая области), а также Луганская область. Площади территорий, подходящих для сооружения ветроэнергетических объектов оцениваются в 8 - 9 тыс. км кв. На этих территориях при использовании 20 - 30% 3площадей и при плотности строительства ВЭС 5 -8 МВт/км кв. можно соорудить 8 - 24 тыс. МВт и генерировать 16 - 48 млрд. кВт× час электроэнергии в год.

Гораздо большие площади для  строительства ветровых электростанций (ВЭС) есть на прибрежных и внутренних акваториях Украины. Так, только площади незамерзающего зимой мелководного (преобладающие глубины 0,5 м, максимальная - 3,2м,) залива Сиваш целиком не задействованные в хозяйственном использовании составляют 2700 км кв., значительная часть площадей залива длительный период времени (по 2 -3 мес.), особенно летом, стоит без воды. Ветропотенциал Сиваша по данным измерений ГосНИИ НЭЭ с использованием современной ветроизмерительной аппаратуры типа Logger 9200 на высоте флюгера 10 м характеризуется скоростью 5,8 - 6,3 м/с, а на высоте 25 м - 7,2 - 7,6 м/с, что является достаточно хорошим показателем для строительства экономически эффективных ВЭС. При плотности строительства ВЭС 8 - 14 МВт/км кв. здесь можно соорудить 21600 - 37800 МВт и обеспечить генерирование электроэнергии в объемах от 43,2 -75,6 млрд. кВт×час электроэнергии в год. Кроме Сиваша еще большие территории акваторий с хорошим ветропотенциалом есть на Азовском море (площадь - 60 тыс. км кв.), на Чорном море (Одесская банка, площадь 10 тыс. км кв.; Каркинитский залив, площадь 25 тыс. км кв.), на приморских лиманах и водохранилищах Днепровского каскада ГЭС (площадь суммарная около 8 тыс. км кв.). В целом по площадям мелководных акваторий, пригодных для строительства ВЭС водного базирования Украина находится на втором месте в мире (после Норвегии). Для строительства ВЭС водного базирования в Украине есть ряд других благоприятствующих моментов, в частности в Украине освоена технология наплавного гидростроительства объектов в открытом море, которая может быть легко трансформирована для нужд ветроэнергетики.

С учетом возможных объемов инвестиций общую мощность ВЭС, сооруженных  в перспективных районах до 2020 года, можно оценить в 16000 МВт с  возможным годовым объемом производства энергии около 32 млрд кВт.ч/год, что составляет 18% от общего объема современного производства электроэнергии в Украине или около 11% с учетом прогноза Министерства экономики Украины по росту потребления и генерации электроэнергии на 2020 год.

Современное производство ВЭС в Украине

Первые ВЭС в Украине начали работать с 1993 года и уже в 1994 году произвели 1 млн кВт.ч электроэнергии.

В настоящее время около сорока заводов Украины, преимущественно  бывшего военно-промышленного комплекса, заняты в производстве лицензионных узлов для турбин USW 56-100 совместного  украинско-американского производства. Сборка этих ВЭУ производится на ПО “Южный машиностроительный завод” в Днепропетровске.

Существующие ветровые электростанции

В стадии строительства и эксплуатации находятся следующие ВЭС:

Донузлавская, 53 ветроагрегата;

Мирновская, 17 ветроагрегатов;

Воробьевская, 6 ветроагрегатов;

Трускавецкая, 7 ветроагрегатов;

Асканийская, 3 ветроагрегата;

Ново-Азовская, 12 ветроагрегатов;

Сейчас находятся в состоянии  монтажа еще 57 ветроагрегатов USW 56-100 сборки ПО ЮМЗ. Ветроагрегаты USW 56-100 представляют собой не наиболее современную ветротехнику и поэтому в Украине на основе приобретенного опыта начинается освоение производства ветроагрегата мощностью 600 кВт по лицензии немецкой фирмы “Genesiss”. С освоением выпуска этого ветроагрегата строительство ВЭС станет возможным на значительно большей части территории Украины, кроме того лучшие условия, более высокая экономическая эффективность будет обеспечиваться при строительстве оффшорных и оноффшорных ВЭС. Производственная база Украины позволяет не только обеспечивать потребности в более дешевой ветротехнике для собственных ВЭС, но и обеспечить ее экспорт в страны СНГ и Восточной Европы.

На стадии проектирования и/или  монтажа оборудования находятся  Западно-Сивашская, Судакская, Черноморская, Восточно-Крымская, Сакская, Тарханкутская, Джанкойская, Владимирская и Чонгарская ВЭС общей мощностью свыше 300 МВт (по завершению строительства).

Согласно упомянутой Комплексной  программе строительства ВЭС  до 2010 года предусмотрено ввести в  эксплуатацию ВЭС общей мощностью 1990 МВт и обеспечивать энергии  за счет использования энергии ветра 2% электроэнергии от общего производства в Украине. Однако существующее экономическое положение и энергетическая политика украинского правительства привели к тенденции снижения темпов развития этой отрасли более чем в 5 раз.

Украинский опыт строительства  и эксплуатации ВЭС свидетельствует  о возможности достаточно высокой  экономической эффективности работы ВЭС, особенно в случаях правильного  выбора площадок, грамотной эксплуатации и применения экономических стимулов.

Одним из наиболее активных инициаторов  многих программ и законодательных  актов в области ветроэнергетики  в Украине является правительство  Автономной республики Крым. Здесь  уже есть или строятся Акташская (проектная мощность до 50 МВт) и Черноморская ВЭС, ,оборудованные ветроагрегатами АВЭ-250 мощностью 200 кВт украинской разработки и производства, а также Донузлавская ВЭС, на которой эксплуатируются 53 агрегата USW 56-100 украинско-американского предприятия “Уиндэнерго” мощностью 107,5 кВт каждый.

Согласно Комплексной программе  строительства ВЭС в Украине  до 2010 года в Крыму, исходя из наличной инфраструктуры, рекомендуется строительство  ВЭС общей мощностью до 400 МВт (Донузлавская, Сакская, Джанкойская, Мирновская, Пресноводненская, Тарханкутская, Черноморская, Судакская, Западно-Сивашская и Восточно-Крымская ВЭС). Наиболее перспективна для строительства ВЭС восточная часть Крыма.

Проводятся исследовательские  работы. При финансовой поддержке  программы TACIS, на программных разработках  лаборатории в RISO (Дания) составлен  атлас I уровня ветрового потенциала территории Крыма на высоте 25 метров над поверхностью рельефа. Аналогичные  разработки по составлению ветроаласов и кадастров площадок планируется и для других регионов Украины. Предполагается создать центры обучения персонала, сервисного обслуживания, ремонта, испытаний и сертификации ВЭУ.

Для привлечения инвесторов Правительство  Крыма издало Постановление № 23 от 25 января 1996 года “О развитии ветроэнергетики  в Крыму”, где предоставляются 10-летние льготы при производстве и строительстве  ВЭС.

При успешной реализации этих планов к 2010 году общая мощность ВЭС Крыма  будет доведена до рекомендуемых 400 МВт, что позволит обеспечить потребности  Крыма в электроэнергии на 12 - 15% и  приведет к экономии 290 000 тонн топлива  в год (в условном исчислении).

Тогда, как атомная и тепловая энергетика получали большую финансовую и политическую поддержку на протяжении многих десятилетий, технологии использования  возобновляемых источников энергии  и повышения энергоэффективности разрабатывались и осваивались в очень незначительных масштабах из-за отсутствия надлежащей и финансовой и политической поддержки. Если задаться целью развивать возобновляемые источники и энергоэффективность, дальнейшее развитие ядерной энергетики теряет смысл, в частности в достройке двух атомных блоках на Хмельницкой и Ровенской АЭС, зато есть срочная необходимость в поддержке ветроэнергетики.

Ветроэнергетика нуждается в поддержке:

- продолжения усовершенствования  конструкций и производства ветроагрегатов;

- в продолжении научных исследований и конструкторских разработок с целью улучшения ветротурбин и их компонентов, снижения их стоимости, увеличения продолжительности срока службы и надежности в эксплуатации, возможности повторного использования компонентов;

- картографирования ветроресурсов (составление ветроатласа Украины и кадастра перспективных для строительства ВЭС площадок);

- создания экспертных (сертификационных) центров для независимой оценки  и подтверждении качества, а также для повышения надежности производимой ветротехники;

- создания информационных центров,  обладающих объективной, независимой  от производителей, информацией  о ВЭУ, имеющихся на рынке.

Для существующей в Украине инфрастуктуры энергообеспечения отдаленных мелких потребителей электроэнергии еще одним экономически эффективным и перспективным направлением развития ветроэнергетики является производство и эксплуатация сетевых ветроагрегатов мощностью в интервале 15 - 20 кВт. Благодаря существующему серийному производству необходимых комплектующих изделий для этих ветроагрегатов, они будут дешевы и доступны таким потребителям как фермерские хозяйства, горные лесные хозяйства и т.п. Реализация этого направления сулит большие выгоды и для энергетики всей страны, так как позволит значительно сократить потери электроэнергии в линиях электропередач.

Выводы

При условии выполнения заданий  Национальной энергетической программы  в отношении ветроэнергетики  общая мощность ВЭС в Украине  до 2010 г. составит 1990 МВт, что обеспечит  общую экономию традиционного топлива  в объеме 4,2 млн тонн, в том числе по этапам:

2000 г. – 18,3 тыс. т условного  топлива в год;

2005 г. – 250,0 тыс. т у. т.  в год;

2010 г. – 969,0 тыс. т у. т. в год.

Выполнение этих заданий требует  ежегодного ввода ВЭС в эксплуатацию по 150 - 200 МВт, что может дать национальной экономике дополнительные рабочие  места и сокращения расходов финансов на приобретение дорогого импортированного топлива. Это также важно и  для технического развития ветроэнергетики. Для достижения цели 16 000 МВт необходимо устойчивое наращивание объемов  выпуска ветротурбин и ввода их в эксплуатацию на уровне не менее 15% ежегодного прироста. К 2020 году объем производства ветротурбин может достичь 2000 - 3000 МВт в год.

Для реализации плана производства ВЭС в Украине 10%электроэнергии в течение двух десятилетий, начиная с 2000 года необходимо ежегодно вводить в эксплуатацию ВЭС мощностью 790 МВт. Промышленная база Украины позволяет реализовать такую задачу как по строительству ВЭС и производству ветротехники для нужд страны, так и для экспорта в другие страны.

Развитие ветроэнергетики в  последние десятилетия показало, что оно было успешным только в  тех странах, где постоянно осуществлялась политическая поддержка в развитии ветроэнергетики и других технологий по использованию возобновляемых источников энергии. В Украине сегодня такая поддержка в принципе существует, однако для решения поставленной задачи она недостаточна. Очевидно, что для решения поставленной задачи в нынешних условиях Украина должна отказаться от ряда неперспективных энергетических проектов, в первую очередь по дальнейшему наращиванию мощностей атомной энергетики с тем, чтобы высвобожденные средства направить на ускоренное развитие ветроэнергетики.

Для реализации намеченных целей необходимо:

- обеспечить в государственном  масштабе последовательное наращивание  выпуска ветротурбин для украинских ВЭС;

- на местном уровне обеспечить  поддержку и участие в развитии  ветроэнергетики (такую поддержку  ныне очень активно декларируют  органы местной власти Крыма,  Херсонской, Донецкой, Львовской, Николаевской  и ряда других областей Украины  в регионах энергодефицитных и имеющих хороший ветропотенциал);

- помочь развитию рыночной инфраструктуры, в первую очередь обеспечить  стабильность цен, доступ к  общей электросети всем физическим  и юридическим лицам - владельцам  ВЭС, осуществлять меры по пресечению  монополизма;

- ликвидировать субсидии на  экологически вредные виды производства  энергии;

- включить в стоимость энергии  ее экологическую стоимость;

- оказывать поддержку исследованиям,  развитию и распространению новых  техники и технологий в области ветроэнергетики.

Экологические преимущества развития ветроэнергетики Украине таковы:

- снижение выбросов CO2 при достижении  поставленной цели (11%) составит в  2020 году для средних показателей  электроэнергетики - 26 млн. тонн  в год, а в случае замены  тепловых электростанций, работающих  на угле - 31 млн. тонн в год.  Это существенно поможет решению  задач, сформулированных Киотским  протоколом в отношении сокращения  СО2;

- снижение выбросов серы и  NOx;

- уменьшение выбросов пепла,

- уменьшение воздействия на  окружающую среду подачи и  распределения топлива (сниженные  выбросы метана с газовых месторождений,  трубопроводов и угольных шахт);

- снижение местного загрязнения  на газовых месторождениях и  угольных шахтах.