Состояние и перспективы использования ветроэнергетики

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

Кафедра:

По дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Состояние и перспективы использования ветроэнергетики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

1 История  развития ветроэнергетики…………………………………...……….1

2 Использование  энергии ветра в мире …………………………………….…...3

3 Экологические аспекты ветроэнергетики……………….................................4

4 Перспективы  использования энергии солнца  и ветра ………………............7

5 Ветроэнергетика  Беларуси…………………………………………………….10

Список  использованных источников….…...…………………………………..13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. История развития ветроэнергетики 

     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.

     Первый  ветродвигатель был простым устройством  с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, которое  применялось в Персии за 200 лет  до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с  вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение  в странах Ближнего Востока. Немного  позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая  состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор  в многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветреные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке  и попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В  средние века в Европе многие поместные  законы, включая и право отказа в разрешении на строительство ветреных мельниц, заставляли арендаторов иметь  площади для посева зерна возле  мельниц феодальных имений. Посадки  деревьев близ ветреных мельниц запрещались  для обеспечения "свободного ветра". В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций  ветреных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот  и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который  находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей  мощностью 37 квт каждый.

     Позднее известный инженеров-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м³/мин., которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

     В 1582 г. в Голландии была построена  первая маслобойня, которая использовала энергию ветра, через 4 года - первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла  повышенные требования к бумаге, обусловленные  изобретением печатной машины.

     В середине XIX столетия в Голландии  использовалось для разных целей  около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы  внесли много усовершенствований в  конструкцию ветреных мельниц и, в частности, ветроколеса.

     Первой  лопастной машиной, которая использовала энергию ветра, был парус. Парус  и ветродвигатель кроме одного источника  энергии объединяет один и тот  же используемый принцип. Исследование показали, что парус можно представить  в виде ветродвигателя с бесконечным  диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной  машиной, с высочайшим КПД, который  непосредственно использует энергию  ветра для движения.

     Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель как двигатель для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребное колесо. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

     Первые  разработки теории ветродвигателя относятся  к 1918 г. В. Залевський заинтересовался  ветряными мельницами и авиацией одновременно. Он начал создавать  полную теорию ветреной мельницы и  вывел несколько теоретических  положений, которым должна отвечать ветроустановка.

     В начале ХХ столетия интерес к воздушным  винтам и ветроколёсам не был обособлен  от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Сначала  наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный  винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" он вращал динамомашину. На парусниках ветряные мельницы передавали движение насосам и якорным механизмам.

     В Русской империи к началу минувшего  столетия работало около 2500 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. квт. После 1917 года мельницы остались без  хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию  ветра уже на научной и государственной  основе. В 1931 году близ Ялты была построена  наибольшая на том время ветроэнергетическая  установка мощностью 100 квт, а позднее  разработан проект агрегата на 5000 квт. Но реализовать его не удалось, так  как Институт ветроэнергетики, который  занимался этой проблемой, был закрыт.

     Сформировавшаяся  ситуация отнюдь не обуславливалась  местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США  до 1940 года построили ветроагрегат мощностью 1250 кВт. До конца войны  одна из его лопатей получила повреждения. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что более выгодно  использовать обычную дизельную  электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее творец и собственник П. Путнем выложил свой печальный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не утратила до сих пор своей актуальности.

     Неудачные попытки использовать энергию ветра  в крупномасштабной энергетике сороковых  лет не были случайными. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились  удельные капитальные вложения на больших  тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантировало  и низкие цены, и удовлетворительную экологическую ситуацию.

     Важным  недостатком энергии ветра является ее переменчивость во времени, но это  можно компенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько  десятков больших ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие [1].

     2. Использование энергии ветра в Мире 

     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 %.

     Данные  Европейской ассоциации ветроэнергетики 

     Страны  Евросоюза в 2005 году вырабатывают из энергии ветра около 3 % потребляемой электроэнергии.

     В 2007 году 18,3 % электроэнергии в Дании  вырабатывалось из энергии ветра. В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % от всей произведённой  в Германии электроэнергии. Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии. 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра  было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны [2].

     Индия в 2005 году получает из энергии ветра  около 3 % всей электроэнергии.

     В 2007 году в США из энергии ветра  было выработано 48 млрд. кВт/ч электроэнергии, что составляет более 1 % электроэнергии, произведённой в США за 2007 год.

     В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % суммарной выработки  электроэнергии в стране. В КНР  с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что  к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт [3]. 

     3 Экологические аспекты  ветроэнергетики 

     Выбросы в атмосферу

     Ветрогенератор  мощностью 1 МВт сокращает ежегодные  выбросы в атмосферу на 1800 тонн СО₂, 9 тонн SO₂, 4 тонн оксидов азота.

     По  оценкам GlobalWindEnergyCouncil к 2050 году мировая  ветроэнергетика позволит сократить  ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда  тонн.

     Шум

     Ветряные  энергетические установки производят две разновидности шума:

     механический  шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для  современных ветроустановок практически  отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)

     аэродинамический  шум — шум от взаимодействия ветрового  потока с лопастями установки (усиливается  при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки).

     В настоящее время при определении  уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод  непосредственных измерений уровня шума не дает информации о шумности ветроустановки, так как эффективное  отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.

     В непосредственной близости от ветрогенератора  у оси ветроколеса уровень  шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.

     Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в  дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки  до жилых домов — 300 м.

     Низкочастотные  вибрации

     Низкочастотные  колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в  домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.

     Как правило, жилые дома располагаются  на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже  не может быть выделен из фоновых  колебаний.

     Обледенение лопастей

     При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности  воздуха возможно образование ледяных  наростов на лопастях. При пуске  ветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются  предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.

     Кроме того, в случае легкого обледенения  лопастей были отмечены случаи улучшения  аэродинамических характеристик профиля.

     Визуальное  воздействие

     Визуальное  воздействие ветрогенераторов —  субъективный фактор. Для улучшения  эстетического вида ветряных установок  во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные  архитекторы привлекаются для визуального  обоснования новых проектов.

     В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и  визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на 1 кВт·ч. Обзор  базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько  они заплатили бы за то, чтобы  избавиться от соседства с ветрогенераторами.

     Использование земли

     Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На 99 % площади фермы  возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и  происходит в таких густонаселённых  странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.

     Популяции летучих мышей, живущие рядом  с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и  млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветряками, обнаруживают признаки внутреннего  кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому более резистентны к  резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков.

     Использование водных ресурсов

     В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно  снизить нагрузку на водные ресурсы.

     Радиопомехи

     Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать  значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем  большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения  проблемы приходится устанавливать 

     дополнительные  ретрансляторы [4].  
 
 
 
 

4. Перспективы использования энергии солнца и ветра 

     Такие природные и поистине бесценные  источники, как солнечная радиация и энергия ветра, были всегда рядом  с человеком, их старались использовать, приручить стихию. С незапамятных времен пространственную структуру  своего жилья человек организовывал  с учетом ориентации на Солнце. Фактически то, что мы сейчас называем энергосберегающими строительными приемами, есть ничто иное как попытка грамотного использования и сохранения тепла, дающего нашим светилом, в зданиях.

     Более чем в 70 странах мира разработаны  и действуют гелиоэнергетические  программы. Так в Германии реализован проект «Тысяча крыш», где 2250 домов  было оборудовано фотогальваническими  установками. В США принята программа  «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. В настоящее время эксплуатируется  более миллиона солнечных водонагревателей. Получают распространение «солнечные дома». Разработаны способы управления регулированием систем.

     Во  всем мире производится анализ эффективности  по использованию возобновляемых источников энергии. Мировыми лидерами по применению энергии солнца и ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. Также активно ведутся разработки в Скандинавии, Норвегии, Канаде.

     Использование возобновляемых видов энергии, в  частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным  прогнозам, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более. Большее применение нашло использование  энергии ветра из-за более низких удельных капиталовложений. Возрастает наряду с суммарной мощностью  ВЭУ (ветровая энергоустановка) единичная, превысившая 1 МВт.

     Конечно, на сегодняшний день без дублирующих  систем энергоснабжения зданий, использующих невозобновляемые ресурсы, не обойтись, но даже 20%-ное замещение их дает несомненный положительный эффект. Что дают эти 20%? Это прежде всего, снижение на 1/5 использования количества невозобновляемых энергоносителей, используемых для эксплуатации зданий, снижение риска надвигающейся экологической катастрофы и, что самое важное для хозяина, снижение затрат на содержание своего дома.

     Возможность полного, либо частичного замещения  невозобновляемых энергоносителей  для энергоснабжения зданий позволяет  решить многие проблемы. Просто необходимо обеспечить жилые дома экологичными системами отопления (и летнего  охлаждения), горячего водоснабжения. Да, конечно, стоимость оборудования и монтажа гелиосистем на сегодняшний  день не самое дешевое и не самое  простое решение. Но с учетом того, что солнечная энергия и енергия  ветра ничего не стоит, а стоимость  на невозобновляемые энергоносители постоянно  растет, оборудование окупится за 2-3 года и будет служить до полного  износа.

     С учетом перспективы разработок, ведущихся  в этом направлении, можно смело  прогнозировать, что к 2012 году появятся новые ветроэнергетические установки, с большей эффективностью и сроком окупаемости до 1 года. Стоимость  установок сегодня уже на порядок  ниже, чем была 10 лет назад.

     Различные строительные приемы использования  возобновляемых источников энергии  как в реконструируемых зданиях, так и при новом строительстве  дают такую возможность. Надо только правильно их использовать.

     Экологическая ситуация требует от архитекторов и  строителей нового мышления. Современная  энергетика, ставшая сегодня традиционной, в зависимости от вида энергоносителя в целом, оказывает отрицательное  воздействие на экологию окружающей среды. Хотя бы в области энергоснабжения  зданий и городов необходимо принимать  решения, позволяющие эффективно использовать возобновляемые ресурсы.

     Анализ  публикаций показывает, что энергетические потребности в энергии во всем мире стимулируют разработку приемов  по использованию возобновляемых источников энергии четвертого поколения. Такие  приемы при меньших затратах на монтаж и оборудование позволяют эффективно эксплуатировать ветровые установки  для энергообеспечения зданий.

     Среди разработок можно выделить два главных  направления, которые следует учитывать:

     -разработка  и применение ветровых энергоустановок  с ограниченным уровнем мощности  для энергоснабжения мелких автономных  потребителей;

     -создание  ветровых энергетических станций  ограниченной мощности в северных  районах (типа Аляски). Это может  радикально решить проблему использования  возобновляемой энергии в масштабах,  ощутимых в мировом энергобалансе.

     Для восприятия ветровой энергии необходимо создание благоприятных условий  в зоне работы лопастей. Размещение ветроэнергетических установок  желательно на автономных площадках. Возможно также размещение ВЭУ на доме, хотя здесь имеется ряд технических  проблем — борьба с вибрацией  и шумом. Представляется возможным  использовать:

     крыши близлежащих зданий и сооружений нежилого назначения (гаражи, крытые площадки, склады торговых сооружений и т.п.);

     здание  или комплекс зданий, в свою очередь, деформируют воздушные потоки, дополнительно  турбулизируя их, внося локальные  изменения, порождаемые ветром;

     при реконструкции и новом строительстве  с учетом строительных приемов использования  энергии ветра возможно устройство энергоактивных пристроек к зданию, конструкции и форма которых  искусственно создают изменение  интенсивности ветровых потоков  или воспринимающих плоскостей;

     возможно  устройство энергоактивных пристроек  к реконструируемому зданию, конструкции  и формы которых предназначены  для создания оптимальной направленности ветровых потоков;

     устройство  интегрированных систем, использующих энергию ветра в различном  временном сочетании, позволяет  с большей эффективностью использовать альтернативную энергию в организации  жилой среды;

     Каковы  же основные принципы, которых следует  придерживаться при проектировании или реконструкции здания с возможностью использования строительных приемов  альтернативного энергоснабжения?

     Прежде  всего, необходимо учитывать климат региона и метеоусловия конкретной местности строительства, действие ветровых потоков в зоне восприятия ВЭУ (вертроэнергетических установок).

     энерговоспринимающие  части установок необходимо правильно  ориентировать с учетом максимальной эффективности;

     при проведении строительства и реконструкции  жилых зданий с последующим использованием в них альтернативного энергообеспечения  необходимо стремиться к созданию энергетически  эффективного здания, теплопотери которого сведены к минимуму за счет оптимального объемно-планировочного решения и  усиленной теплоизоляции. Предполагается экологический подход к созданию жилой среды;

     рекомендуется интегрированное использование  солнечных и ветровых установок  с подключением электрогенерирующих  установок к электросети для  сброса избыточной энергии и забора недостающей, т.е. предусматривать дублирующую  систему;

     развитие  серийного производства, упрощение  конструкции альтернативных систем может значительно снизить себестоимость  энергии от альтернативных систем [5]. 
 
 

     5. Ветроэнергетика Беларуси 

     Беларусь  не располагает собственными топливно-энергетическими  ресурсами (ТЭР). Лишь 15% собственных  ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются — в  основном из России. В последние  годы наблюдается постоянный рост цен  на топливо и импортируемую электроэнергию. Этот рост будет иметь место и  далее до достижения мировых цен. В связи с этим для Беларуси чрезвычайно важно включать в  топливно-энергетический баланс вторичные  энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, одним из которых  является ветер.

     Ветроэнергетика, как и любая отрасль хозяйствования, должна обладать тремя обязательными  компонентами, обеспечивающими ее функционирование:

     1) ветроэнергетическими ресурсами, 2) ветроэнергетическим оборудованием, 3) развитой ветротехнической инфраструктурой.

     1. 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.

     2. 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.

     3. 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.

     В странах Европы в зависимости  от ветровых потоков ветроэнергетические  мощности имеют следующее базирование:

     — внутриконтинентальное (ВЭС и единичные  ВЭУ размещаются внутри континента);

     — прибрежное (ВЭС размещаются вблизи или вдоль морского берега);

     — морское (ВЭС размещаются в открытом море неподалеку от побережья).

     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.

     Работы  по оценке технического ветроэнергетического ресурса Беларуси выполнены совместно  НПГП «Ветромаш», РУП «Белэнергосетьпроект»  и Госкомитетом по гидрометеорологии.

     Сведения  о ветроэнергетических ресурсах Беларуси изложены в отчетах по научно-исследовательским  работам и в публикациях, использованных при формировании Ветроэнергетического кадастра, который включает:

     — информационный банк данных о ветроэнергетических  характеристиках на территории Беларуси;

     — информационную базу данных с программным  обеспечением для расчетов ветроэнергоресурсов  на территориях и оценки ветроэнергетического потенциала конкретной ВЭУ в конкретном месте ее внедрения;

     — Ветроэнергетический атлас, содержащий набор карт размещения ветротехники В12 и В14 континентального базирования на отдельных территориях Беларуси и паспорта точек (площадок) преимущественного внедрения ветротехники;