Ветроэнергетика за рубежом и в России
Содержание:
Энергия ветра 2
Ветроэнергетика за рубежом и в России 3
Классификация ветроустановок 6
Перспективы использования ВЭУ 10
Заключение 12
Список литературы 13
Энергия ветра
Человек начал использовать энергию ветра задолго до изобретения водяного колеса. Еще 4 тыс. лет тому назад были известны установки для подачи воды, ветряные мельницы и парусные суда. В Европе ветряные мельницы появились в начале XII века. Изобретение паровых машин заставило забыть на длительное время ветряные установки. Кроме того, низкие единичные мощности агрегатов, постоянная их зависимость от погодных условий, а также возможность преобразовывать энергию ветра только в ее механическую форму ограничивали широкое использование этого природного источника.
Следует помнить, что энергия ветра в конечном итоге является результатом тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различная плотность нагретого и холодного воздуха является основной причиной активных процессов перемешивания воздушных масс. Следовательно, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая высвобождается в одной из своих форм - энергии воздушных течений.
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой.
Местные ветры возникают из-за особых местных условий рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.). Вследствие изменения температур днем и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.
Днем, при солнечной погоде, температура суши повышается быстрее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течет в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом, возникает циркуляция воздуха с направлением внизу - на берег моря, вверху - от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течет на море, а вверху - с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. В России бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и Каспийского морей.
Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция воздушных масс более крупного размера, чем бризы, и называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается до более высокой температуры, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, и воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху, наоборот, течет от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления, вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях - наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами. Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии - в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой - северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимой дуют суровые северо-западные материковые ветры; летом - юго-восточные и южные морские, влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.Различные страны имеют зоны, в которых ветровые режимы сильно отличаются один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об ее эффективности. В соответствии с картой ветроэнергетических ресурсов России прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина отличаются высокой интенсивностью ветрового режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/с. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/с), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в указанной зоне можно использовать только ветроустановки с высокой быстроходностью (двух- или трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/с и более. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом.
Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от до 6 м/с. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также некоторые области европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики - до 3,5 м/с, и широкое применение ветроэнергетических установок на этой территории не рекомендуется.
Ветроэнергетика за рубежом и в России
Возрождение интереса к использованию энергии ветра в настоящее время связано с возможностью и определенной целесообразностью преобразования ее в электроэнергию. Экономически такая целесообразность имеет место при скорости ветра более 5 м/с. И это обстоятельство накладывает существенное ограничение на развитие ветроэнергетики. Богатые ветровой энергией местности, как правило, не нуждаются в электроэнергии в силу отдаленного расположения от промышленных объектов и населенных пунктов. И только в Германии прибрежная зона Северного моря и побережье Тихого океана в США (штат Калифорния) одновременно удовлетворяют требованиям как производства, так и потребления электроэнергии, производимой ветроэнергетическими установками.
Первая в мире ВЭУ была построена Чарльзом Ф. Брашем - одним из основателей американской электрической индустрии. Он изобрел очень эффективный генератор постоянного тока, который использовал в общественных электрических сетях, а также первую коммерческую дуговую лампочку и эффективный способ производства свинцово-кислотных аккумуляторов. Его компания «Браш Электрик» в 1892 году слилась с «Эдисон Дженерал Электрик Компани», и новая компания получила ныне широко известное название «Дженерал Электрик Компани» (GE).
В течение зимы 1887-1888 годов Браш построил то, что сегодня называется первой автоматически управляемой ветровой турбиной для производства электроэнергии. Она была воистину гигантской - самой большой в мире. Диаметр ротора был равен 17 м, и ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра. Для осознания размеров этого циклопического сооружения обратите внимание на человека, подстригающего лужайку справа от турбины. Турбина проработала двадцать лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под турбиной. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт (рис. 1).
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 по-
строена 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.
рис. 1. Первая в мире ветро-
ергетическая установка, по-
роенная в конце XIX века
США
Делаются первые шаги по пути перехода от
единичных автономных ВЭС к системам связан-
ных в единую сеть многих ветроагрегатов большой
мощности.
Для реализации ветроэнергетического потенциала в США предложено несколько проектов.
- Использовать вырабатываемую ВЭУ энергию для электролиза воды и запа-
ислорода и водорода,
чтобы потом их использовать в топливных
элемента
производства электроэнергии.
2. Построить 150 тысяч башен высотой по 260 м с трехлопастными ветроколесами, приводящими во вращение генераторы по 1,5 МВт. Эти ветроустановки предлагается разместить по одной на квадратную милю. В результате получается установленная мощность около 225 ГВт, что составило бы существенную долю суммарной установленной мощности электростанций США.
3. Устанавливать ветроэнергетические установки в океане, закрепляя фундамент в океанское дно или устанавливая их на специальной платформе, которая удерживается с помощью якоря.
В настоящее время в мире используется более 17 000 ВЭУ различной мощности. Большая их часть установлена в Германии и штате Калифорния США. Мощные ВЭУ, а также установки средней мощности, объединенные в «ветровые фермы», могут работать параллельно с местными и региональными электросетями, обеспечивая заметную экономию топлива. По данным эксплуатации ВЭУ в Европе и Калифорнии, средняя продолжительность их работы в году в расчете на полную мощность составляет более 2000 ч.
Оценка ветроэнергетических ресурсов достаточна условна. Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности земли оценивается в 13 -1012 кВт·ч. Для практического использования реально можно рассматривать 10...20 % этой энергии.
В отечественной ветроэнергетике наметились два пути развития:
- создание крупных одноагрегатных ВЭУ;
- сооружение многоагрегатных ВЭУ.
Второй вариант более экономичен, так как ВЭС состоит из 10... 15 установок единичной мощностью 30 кВт. Это позволяет более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов.
Ветроэнергетические установки считаются экологически чистыми источниками энергии. Основывается такое утверждение на том, что они не дают вредных
выбросов в атмосферу. Выработка 1 ГВт · ч на ВЭУ позволяет снизить выброс двуокиси углерода на 969 т. Однако имеются и отрицательные воздействия.
- Сильные порывы ветра и ураганы могут привести к разрушению ВЭУ. Наиболее опасной зоной является круг радиуса, равного высоте башни. Если же повреждение установки связано с отрывом лопастей, то радиус опасной зоны возрастает.
- Вращающиеся лопасти создают помехи телепередачам и радиоприему УКВ в радиусе 3 км.
- Шум, создаваемый ВЭУ средней мощности, слышен на расстоянии более 2 км, а на расстоянии 400 м уровень шума достигает 56 дБ. Опросы населения показывают, что отдельно стоящие ВЭУ воспринимаются достаточно спокойно, но ветровые фермы вызывают у человека определенное раздражение даже при их расположении на морском побережье.
- Крупномасштабное применение ветроэнергетических установок на каком- то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения в данном районе.
Одиночная ВЭУ, а тем более ферма, требует установки подъездных путей, ЛЭП, а также линий связи, управления и пр. Поэтому территория, которая изымается для размещения ВЭУ, оказывается куда более значительной, чем может показаться на первый взгляд.
Потенциал ветровой энергии. Потенциал ветроэнергетики распределен по территории России неравномерно. Атлас ветров России указывает, что существует множество районов, где среднегодовая скорость ветра превышает 6,0 м/с.
Над большей частью территории России скорость ветра в дневное время выше, чем ночью, причем эти различия существенно менее выражены зимой. Годовой ход средней скорости ветра (т.е. разница между максимумом и минимумом среднесуточных скоростей) в большинстве районов России незначителен и варьируется в пределах от 1 до 4 м/с, составляя в среднем 2...3 м/ с. Более высокие амплитуды наблюдаются в центре европейской части России, в Восточной и Западной Сибири (за исключением северных районов) и особенно на Дальнем Востоке, где они достигают 4м/с. Годовые амплитуды менее 2 м/с наблюдаются над юговостоком и юго-западом европейской части России и над Центральной Сибирью . Зимой и осенью скорость ветра выше над большей частью России, за исключением южной части Центральной Сибири, где максимум скорости ветра приходится на теплые месяцы. Наивысшие скорости ветра над Якутией и Забайкальем наблюдаются в апреле - мае.
Ветровая энергия может использоваться во многих районах России, включая Архангельскую, Астраханскую, Волгоградскую, Калининградскую, Магаданскую, Новосибирскую, Пермскую, Ростовскую, Тюменскую области, Краснодарский, Красноярский, Приморский края, Дагестан, Калмыкию и Карелию. Большая часть потенциала приходится на территории, где плотность населения ниже одного человека на квадратный километр.
Таким образом, во многих ветреных местах ветровая энергия может быть использована в качестве источника энергии для малых изолированных потребителей. В некоторых районах возможны также и крупномасштабные применения ветровой энергии.
Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, Северной Америке и других частях мира. Большинство этих установок используется для производства электроэнергии - как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.
Классификация ветроустановок
Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам - геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра и подразделяются на три класса. Деление по классам производится по параметру, который называется быстроходностью Z .
Первый класс включает ВЭУ, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, а ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветроколеса называются крыльчатыми. Крыльчатые ветроколеса, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы:
-ветроколеса многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Z < 2;
-ветроколеса малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Z >2;
-ветроколеса малолопастные, быстроходные, Z > 3.
Ко второму классу относятся ВЭУ с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:
-карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;
-роторные ветроколеса системы Савониуса.
К третьему классу относятся ВЭУ, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называются барабанными. У этих ветроколес ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.
Основные нижеследующие недостатки карусельных и барабанных ветроколес вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей в потоке ветра.
1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями.
2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.
3.Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ВЭу.
У роторных ветроколес системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра равен 18 %. Крыльчатые ветроколеса свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных конструкций. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветроколес, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно легкий вес на единицу мощности - основные преимущества ветроколес этого класса.
Основные классификационные признаки ветроэнергетических установок (рис. 2)
Ориентация гондолы ВЭУ в воздушном потоке
Ветроколесо с горизонтальной осью. Рассмотрим горизонтально-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.
В ветроэлектрогенераторах обычно установлены двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно наверху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее размещать внизу, но возникающие сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения
Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.
Принципиальными недостатками таких установок являются:
а) гораздо большая
б) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенератров выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются (рис. 2).
Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.
Ротор Савоннуса. Это колесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т. е. отличаются простотой и невысокой стоимостью. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает высоким крутящим моментом и используется для перекачки воды.
Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.
Ротор Масгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении (рис. 2). Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.
Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.
Перспективы использования ВЭУ
Использование энергии ветра в общественных энергосистемах.
В Америке и Европе
Потенциал морского ветра гораздо больше, чем прибрежного, благодаря скорости ветра и большим пространствам, пригодным для размещения коммерческих установок. Он ограничен только глубиной работ и другими морскими видами деятельности в зоне интереса. Рыбная ловля, корабельные пути и площадь военных испытаний - вот те виды деятельности, которые могут вступить в конфликт с оффшорной ветроэнергетикой. Приемлемой является глубина воды в 30 м. Принимая во внимание только глубину воды как сложный фактор, достижимый источник морского ветра в Соединенном Королевстве оценивается в 380 ТВт · ч в год.
Исследование, проведенное Европейским Союзом, пришло к заключению, что морские ветряные установки в береговых регионах Германии, Голландии, Дании могли бы удовлетворить все потребности в электроэнергии в этих странах.
Уже через 20 лет человечество может удовлетворять большую часть своих потребностей в энергии за счет возобновляемых источников и отказаться от нефти и газа. К такому выводу пришли ученые Марк Якобсон (Mark Z. Jacobson) из Стэнфордского университета и Кристина Арчер (Cristina Archer) из университета Делавэра. Используя компьютерную модель климата Земли под названием GATOR- GCMOM, ученые оценили максимальный потенциал энергии ветра на планете в сотни тераватт. Эти исследования опровергают предыдущие работы, которые говорили о том, что глобальное использование энергии ветра невозможно, так как одни турбины забирают энергию у соседних. Каждая турбина уменьшает количество энергии, доступной для других. Однако нам никогда не понадобится такое число ВЭУ, чтобы это снижение стало ощутимо. В рамках своей модели исследователи установили множество виртуальных турбин по всей планете (на суше и на море) без учета экономических, социальных и прочих факторов. Они учитывали потери энергии ветров, вызванные каждой отдельной ВЭУ, и оценивали общее влияние огромного количества турбин на климат Земли. Компьютерные расчеты показали, что в какой-то момент наступает точка насыщения, когда строительство новых ВЭУ не приносит дополнительной энергии. Если разместить ветропарки везде и всюду, то можно получить мощность, равную 250 ТВт, а если брать во внимание только сушу и прибрежную территорию, то можно вырабатывать 80 ТВт. Это в семь раз больше общего потребления электричества на Земле. Вычислив максимальный потенциал ВЭУ, исследователи рассчитали, сколько турбин необходимо для получения большей части от ожидаемого мирового потребления электроэнергии в 2030 году, которое составит около 11,5 ТВт. Согласно их прогнозу, 4 млн ВЭУ высотой 100 м будут обеспечивать 7,5 ТВт энергии без каких- либо последствий для климата. Половину из них предлагается установить в море, вблизи береговой линии. Оставшиеся 2 млн займут около 1 процента суши и будут рассредоточены по всему миру, включая такие незаселенные места, как пустыни Гоби и Сахара. Недостающие 4 ТВт электричества по плану исследователей предполагается получать за счет фотоэлектрических преобразователей, гидроэлектростанций, геотермальных источников и энергии волн и приливов. Тщательный выбор мест для установки турбин сведет к минимуму затраты и воздействие на окружающую среду, а также позволит компенсировать временное снижение силы ветра в отдельных областях. Однако, по мнению ученых, для реализации этих планов требуется политическая и общественная воля. Ведь несмотря на наличие технологий на данный момент в мире работает лишь 1 процент от необходимого количества ветряных турбин.
Энергетика на возобновляемых источниках показывает, что она налагает на производственные процессы совершенно другие ограничения, чем традиционная тепловая и ядерная. Наиболее наглядно это видно на примере ветроэнергетики. Использование рассеянной и очень непостоянной по своей природе энергии ветра основано на принципиально других подходах, чем использование энергии от стабильных и интенсивных источников, и главное здесь - необходимость варьировать потребление энергии в соответствии с ее производством. Для преодоления этого ограничения необходимы эффективные и дешевые способы аккумулирования энергии.
Дорогая стабилизированная электроэнергия используется для освещения и питания электронной аппаратуры, а дешевая нестабилизированная энергия - для отопления и подогрева воды. В периоды очень сильного ветра энергия ВЭУ направляется на отопление теплиц или подогрев воды в плавательном бассейне. Электроэнергию ВЭУ применяют также для зарядки аккумуляторных батарей электромобилей. Несмотря на сильные ветры, вырабатываемой ВЭУ энергии все же недостаточно, а удовлетворительные условия жизни обеспечиваются благодаря хорошо утепленным домам, экономному расходованию электроэнергии и специальным системам ее распределения.
Вводимые в работу мощности ВЭУ позволяют сократить выбросы в атмосферу вредных веществ и высвободить мощность, которая потреблялась из энергосистем. Следовательно, энергозамещение позволит высвободившуюся электроэнергию направить на развитие промышленности и внедрение новых технологий без дополнительных вложений в традиционную энергетику
Заключение
Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенераторы могут быть полезными в районах Крайнего Севера или в некоторых других районах, куда затруднена подача энергии в других формах, и где потребности в энергии относительно невелики. Но делать на них ставку при развитии большой энергетики совершенно нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем.
Список литературы
1. Удалов С. Н. Возобновляемые источники энергии: учеб. пособие / 3-е изд., перераб. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014-459 с.
2. Безруких П. П. Ресурсы и
эффективность использования
3. Зубарев В. В. Использование энергии ветра в районах Севера / В. В.
Зубарев, В. А. Минин, И. Р. Степанов. - Л. : Наука, 1989.

- Ветроэнергетика — как наука
- Ветроэнергетика. Перспективы использования в Республике Беларусь
- Ветроэнергетика России
- Ветроэнергетика – часть альтернативного способа получения энергии
- Ветроэнергетический потенциал Республики Беларусь
- Ветряная оспа
- Ветряная оспа, Дифтерия, Скарлатина, Корь, Менингококковая инфекция
- Ветроэнергетика
- Ветроэнергетика
- Ветроэнергетика
- Ветроэнергетика в Дании
- Ветроэнергетика в мировой практике и использование ее в РБ
- Ветроэнергетика в РБ
- Ветроэнергетика в России