Ветроэнергетика. 2

Ветроэнергетика — отрасль  энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных  масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую  другую форму энергии, удобную для  использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Энергию ветра относят  к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика  является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная  мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 16 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более  мелкие используются для снабжения  электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более  экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии...

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.

В 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 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. 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, ометаемой 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.

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 

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 пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.

Наибольшее распространение  в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

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.

Статистика  по использованию энергии ветра.

В 2010 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 196,6 ГВт. 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 2010 году в  Европе было сконцентрировано 44% установленных ветроэлектростанций, в Азии - 31%, в Северной Америке - 22%.

В то же время, по данным European Wind Energy Association, суммарная вырабатываемая мощность ветряной энергии в России за 2010 год составила 9 МВт, что приблизительно соответствует показателям Вьетнама (31 МВт), Уругвая (30,5 МВт), Ямайки (29,7 МВт), Гваделупы (20,5 МВт), Колумбии (20 МВт), Гайаны (13,5 МВт) и Кубы (11,7 МВт).

В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % от всей произведённой  в Германии электроэнергии. В 2009 году 19,3 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра. 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.

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.

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 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.

Германия планирует к 2020 году производить 19,6 % электроэнергии из возобновляемых источников энергии, в основном из ветра. Дания планирует  к 2020 г. 50 % потребности страны в электроэнергии обеспечивать за счет ветроэнергетики.

В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году — 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч.

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. Однако бурное развитие ветроэнергетического сектора позволило Китаю превысить  порог в 30 ГВт установленной мощности уже в 2010 году.

Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 2 раза в сравнении  с 2008 годом. К 2012 году будет построено  новых ветряных электростанций на 6 тысяч МВт.

Япония планирует к 2010 — 2011 году увеличить мощности своих  ветряных электростанций до 3000 МВт.

Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить ветряных электростанций на 1500 МВт.

Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт, из них 6 000 МВт — оффшорных.

Основная часть стоимости  ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).

Экономия  топлива.

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

Другие  экономические проблемы.

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Проблемы в сетях и  диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередачи и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.

Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляемую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередачи оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Экологические аспекты ветроэнергетики.

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

По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн.

Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее.

Вентиляция  городов.

В современных городах  выделяется большое количество вредных  веществ, в том числе от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная вентиляция городов происходит с  помощью ветра. При этом описанное  выше снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ  может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна.

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 даёт 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. Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.

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 разлёт 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.

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. Рост мирового энергопотребления и неизбежное сокращение природных запасов углеводородного топлива существенно подняли интерес к использованию возобновляемых источников энергии. Выработка электроэнергии на базе возобновляемых источников является значимой составной частью мирового энергопроизводства. На конец 2009 года оно составило 1230 ГВт, или 26 % мирового производства электроэнергии, что превышает выработку электричества на основе ископаемого топлива (66%) и на атомных электростанциях (8%).

Производство электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) в 2009 году по сравнению с 2008 годом  увеличилось в 1,3 раза и составило 12,93% от объема всей вырабатываемой электроэнергии, полученной возобновляемыми источниками  энергии. Энергия биомассы в 2009 году составила 4,39%, солнечной энергии (фотоэлементы) – 1,71%, геотермальной энергии – 0,89% от суммарного производства электроэнергии ВИЭ.

2009 год был беспрецедентен  в истории возобновляемых источников  энергии. Несмотря на глобальный  финансовый кризис, более низкие  цены на нефть, и медленное  продвижение усилий, направленных  на соблюдение Киотского протокола,  возобновляемая энергетика наращивала  свой сектор. Так, прирост солнечной  энергетики (фотоэлементы для частных  хозяйств) составил 53 %, ветроэнергетики  – 32%, геотермальной энергетики 4%.

В целом, объем производства энергии возобновляемыми источниками  прирастал на 10 – 60% ежегодно в течение 2005-2009 годов. Для многих технологий производства возобновляемой энергии, например, таких как ветроэнергетики, прирост в 2009 году был практически  равен приросту за предыдущие четыре года.

Помимо роста инвестиций в сектор возобновляемой энергетики, данный факт объясняется, данный факт объясняется, строгой политикой  в регулировании выбросов парниковых газов, а также подорожанием ископаемого  топлива. В связи с этим, страны Евросоюза в 2020 году прогнозируют увеличение объема производства возобновляемой энергетики на 20%.

Вопрос энергетической безопасности является одним из самых актуальных и для Беларуси. Собственные топливно-энергетические ресурсы страны покрывают лишь 15% от объема общего потребления. С целью  стимулирования развития возобновляемых источников энергии и использования  местных видов топлива были разработаны  Национальная программа развития местных  и возобновляемых энергоисточников на 2011-2015 годы и Стратегия развития энергетического потенциала Беларуси до 2020 года и другие проекты.

Одним из наиболее перспективных  направлений реализации целей указанных  проектов является развитие белорусской  ветроэнергетики. Беларусь располагает  значительными ресурсами энергии  ветра, которые оцениваются в 1600 МВти годовой выработкой электроэнергии 2,4 млрд кВтžч. На территории нашей страны выявлено около 1840 площадок, пригодных для размещения ветроэнергетических станций и ветропарков. Эти площадки представляют собой в основном ряды холмов высотой от 250 м над уровнем моря, где средняя скорость ветра колеблется от 5 до 8 м/с. На каждой из них можно разместить от 3 до 20 ветроэнергетических установок.

В настоящее время в  республике установлено 20 ВЭУ, 14 из которых действующие. Ветроэнергетические установки размещены в поселке Жилихово (Копыльский район), Янковцы, Волма (Держинский район), агрогородке Занарочь, поселке Дружная (Мядельский район), Грабники (Новогрудский район), деревне Райца (Кореличский район), Жуково (Могилевский район) и др.

В населенном пункте Занарочь Мядельского района Минской области первая установка NORDEX 29/250, мощностью 250 кВт, высотой до ступицы ветроколеса 50 м, была построена в 2000 году, вторая –Yakobs48/600, мощностью 600 кВт, высотой до ступицы ветроколеса 65 м – в 2002 году. Ежегодно установки производят и отпускают в сеть 1,3-1,4 млн. кВтžч. электроэнергии.

В деревне Жуково Могилевского района в мае 2011 года была установлена  ветроэлектростанция Lagerwey 18/80 мощностью 80 кВт. В Могилеве с ноября 2010 года работает ветроэлектростанция мощностью 11,4 кВт. Стартовая скорость ветра 3,5 м/с, максимальная скорость ветра 25 м/с.

Ветроэнергетическая установка  мощностью 1,5 МВт была установлена  в поселке Грабники Новогрудского района в апреле 2011 года. Поставщиком ветроустановки является китайская компания HEAG HUAYI ELECTRIC CO., LTD, которая поставила оборудование для ВЭУ. Среднегодовая выработка электроэнергии Грабнинской ВЭУ - 3,8 млн. кВтžч, что соответствует экономии около 1,1-1,25 тыс.т условного топлива. Общая стоимость проекта оценивается в 8- 9 млрд. белорусских рублей. Высота площадки под размещение ВЭУ – 315 м над уровнем моря. Длина каждой из трех лопастей ветроколеса составляет 40 м, высота мачты ВЭУ – 90 м. Вес оборудования достигает нескольких десятков тонн. В случае успешной эксплуатации ВЭУ на той же площадке планируется создание ветропарка с установкой 7-8 ВЭУ с ориентировочной суммарной среднегодовой выработкой электроэнергии 25-30 млнкВтžч.

В целях снижения затрат на производство оборудования ВЭУ, по заданию Государственного комитета по науке и технологиям проведен по поиск потенциальных производителей отдельных узлов, систем и агрегатов  ветроустановок (лопасти, редукторы, электрогенераторы, системы управления и проч.). В результате  были определены такие предприятия. В их числе – «Белкоммунмаш», Кобринский инструментальный завод, Барановичский авиаремонтный завод, а также некоторые частные предприниматели, в том числе сельскохозяйственной отрасли.

В настоящее время идет работа над составлением кадастра возобновляемых источников энергии. Он будет включать в себя: информационную базу данных о ветроэнергетических характеристиках  территории Беларуси; информационную базу данных с программным обеспечением для расчетов ветроэнергоресурсов на отдельных территориях и оценки ветроэнергетического потенциала любой по мощности и техническому исполнению ветроустановки в конкретном месте внедрения, а также ветроэнергетический атлас, содержащий набор карт размещения ветротехники на территории Беларуси, а также паспорта точек (площадок) преимущественного внедрения ветротехники.

В 2011-2012 годах в деревне  Полыковичи-2 Могилевского района планируется  установка ветроэнергетической  станции (ВЭС) MiconM750 400/100 номинальной  мощностью 400 кВт. В настоящее время  оборудование для ВЭС поставлено в Беларусь и ведется подготовка к строительным работам по ее установке.

Особенность ветроэлектростанции заключена в сдвоенном генераторе, который максимально эффективно использует поток ветра. Например, при малых скоростях потока выработка составляет около 100 кВт в час, при более сильном ветре станция переходит в режим номинальной производительности.

Развитию ветроэнергетики  в Беларуси способствуют государственные  программы и планы, направленные на стимулирование использования возобновляемых источников энергии. Наряду с этим существует необходимость привлечения внешних  инвестиций, активизации поиска путей  снижения стоимости ВЭУ. Предстоит  подготовка квалифицированных кадров, расширение законодательной и нормативно-правовой базы, регулирующей вопросы тарифно-налоговой  политики, проектирования и эксплуатации ветроустановок и ветропарков, а также оценки воздействия ВЭУ на окружающую среду.