Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Российский Государственный Университет
нефти и газа имени И.М.Губкина
Кафедра экологии
Реферат
НА ТЕМУ: «Технологии использования ветровой энергии (технико-экономические характеристики, описание оборудования и др.)»
Руководитель работы: Студент:
Соловьянов А.А. Сальников М.А.
ГР-10-02
Москва, 2011 г.
ВВЕДЕНИЕ 2
1.ИСТОРИЯ 2
2.ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 3
2.1.Плотность воздуха 4
2.2.Площадь ротора 4
2.3.Скорость ветра 4
2.4.Неровность рельефа 6
3.СРЕДНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА 7
3.1. Повторяемость скоростей и направлений ветра 9
4.МАКСИМАЛЬНЫЕ СКОРОСТИ ВЕТРА 12
5.ТЕХНОЛОГИИ 13
5.1.ВЭУ 15
5.2.Основные компоненты ветроэлектроустановок. 15
5.3.Типы ветроэнергетических установок. 17
6.ТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕТРОЭНЕРГОРЕСУРСЫ РЕГИОНА 21
7.НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ 23
8.ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПЛОЩАДКИ ДЛЯ ВЕТРОПАРКОВ 28
9.ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ НА ЭКОЛОГИЮ 30
10.1.Акустика 30
10.2.Использование Земли 31
10.3.Зрительный эффект 31
10.4.Столкновения с птицами 31
10.5.Электромагнитные помехи 32
10.6.Мегаватные ветрогенераторы 32
11.ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ 33
12.ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ 34
13.ОФШОРНЫЕ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ИЛИ ВЭС МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ 34
14.МАЛЫЕ ВЕТРОТУРБИНЫ 36
15.ВЕТЕР "ПРОТИВ" ДИЗЕЛЯ И РАСШИРЕНИЯ ЭНЕРГОСЕТЕЙ 37
16.КОМПОНЕНТЫ МАЛЫХ ВЕТРЯКОВ 38
16.1.Использование малых ветряков 39
16.3.Ирригация 40
16.4.Телекоммуникации 40
16.5.Зарядка аккумуляторов 40
16.6.Сохранение тепла 41
16.7.Комбинированные системы «Ветер- тепловой насос» 41
16.8.Комбинированные системы «Ветер-солнце» 41
17.СТОИМОСТЬ 42
ЛИТЕРАТУРА: 42
Энергия ветра, являясь производной энергии Солнца, образуется за счет неравномерного нагревания поверхности Земли. Каждый час Земля получает 100 000 000 000 000 кВт·ч энергии Солнца. Около 1-2 % солнечной энергии преобразуется в энергию ветра. Этот показатель в 50-100 раз превышает количество энергии, преобразованной в биомассу всеми растениями Земли.
На протяжении нескольких тысячелетий человечество использует энергию ветра. Ветер надувал паруса кораблей, заставлял работать ветряные мельницы. Кинетическая энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли. Энергия ветра привлекательна и с точки зрения экологии: при ее использовании нет выбросов в атмосферу, нет опасных радиоактивных отходов.
Ветер, как первичный источник энергии, ничего не стоит. К тому же, этот источник энергии может использоваться децентрализовано. Нет необходимости в создании таких инфраструктур как, например, при производстве и передаче электроэнергии, выработанной за счет сжигания нефти или природного газа.
Ветер как источник энергии известен человечеству на протяжении уже десятков тысяч лет. Еще на заре цивилизации энергию ветра использовали в мореплавании. Считается, что древние египтяне ходили под парусами еще 5000 лет назад. Около 700 г. н.э. на территории нынешнего Афганистана ветряные машины с вертикальной осью вращения применялись для помола зерна. Известные всем ветряки (крылья ветряной мельницы, прикрепленные к башне) обеспечивали работу ирригационной системы острова Крит, расположенного в Средиземном море. Работающие за счет ветра мельницы для помола зерна являются одним из наиболее крупных технических достижений средних веков. В 14 веке голландцы, усовершенствовав модель ветряных мельниц, распространенных на Ближнем Востоке, начали широко применять ветряки для помола зерна.
Водяной насос, работающий за счет энергии ветра, появился в 1854 году в США. Он представлял собой ту же модель ветряной мельницы с большим количеством лопастей и флюгером для определения направления ветра. К 1940 году более 6 миллионов таких ветряков использовались в США в основном для подъема воды и производства электроэнергии. Завоевание "Дикого Запада" было осуществлено, в том числе, и благодаря этим ветрякам, которые снабжали водой животноводческие фермы.
Тем не менее, в середине 20 века наступил конец широкому применению энергии ветра, поскольку на замену ему пришел такой "современный" энергетический ресурс как нефть. И лишь после того, как мир пережил несколько нефтяных кризисов, интерес к ветроэнергетике возобновился. В результате резкого скачка цен на нефть вначале 70-х, энергетические аналитики вновь обратились к использованию энергии ветра. Исследования и эксперименты, проведенные при финансовой поддержке государств и различных фондов, дали новый толчок для развития технологий использования энергии ветра. Усилия были сконцентрированы на использовании ветра в первую очередь для производства электроэнергии, так как для индустриальных стран применение ветровых насосов не является столь важным. [3]
Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Как источник энергии, ветер является менее предсказуемым в отличие от, например, Солнца, однако в определенные периоды наличие ветра наблюдается на протяжении целого дня. На ветровые ресурсы влияет рельеф Земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 метров. Поэтому ветер в большей степени зависит от местных условий, чем энергия Солнца. В гористой местности, к примеру, два участка могут обладать одинаковым солнечным потенциалом, но вполне возможно, что их ветровой потенциал будет различен, в первую очередь из-за различий в рельефе и направлений ветровых потоков. В связи с этим планирование места под ветряки должно проводиться более тщательно, чем при монтаже солнечной системы. Энергия ветра также подчинена сезонным изменениям погоды: более эффективная работа ветряков зимой и менее - в летние жаркие месяцы (в случае с солнечными системами ситуация противоположная). В климатических условиях Дании фотоэлектрическая система эффективна на 18% в январе и на 100% в июле. Эффективность работы ветростанции в июле - 55%, а в январе - 100%. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ветрогенератора и солнечной системы. Подобные гибридные системы обеспечивают более высокую производительность электроэнергии по сравнению с отдельно установленными ветровой или фотоэлектрической установками.
Важно также помнить, что количество энергии, произведенной за счет ветра, зависит от плотности воздуха, от площади, охваченной лопастями ветротурбины при вращении, а также от куба скорости ветра.
Для описания ветра как источника энергии используется совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, объединяемая понятием ветроэнергетического кадастра. К числу основных кадастровых характеристик ветра относятся [1,5]: среднегодовая скорость ветра; годовой и суточный ход ветра; повторяемость скоростей ветра; повторяемость направлений ветра; максимальная скорость ветра; удельная мощность и удельная энергия ветра; ветроэнергетические ресурсы района.
Основным источником исходных данных для разработки ветроэнергетического кадастра являются наблюдения за скоростью ветра на опорной сети гидрометеослужбы. Эти наблюдения, проводимые несколько раз в сутки, охватывают периоды в десятки лет и представляют собой обширнейший фактический материал. Их достоинством является то, что они проводятся по единой методике, а места (площадки), производства наблюдений классифицированы по степени их открытости на местности.
Лопасти ветряка вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ветрогенератор. Мы знаем из курса физики, что кинетическая энергия движущегося тела (например, воздуха) пропорциональна его массе, поэтому энергия ветра зависит от плотности воздуха. Плотность зависит от количества молекул в единице объема. При нормальном атмосферном давлении и при температуре С плотность воздуха составляет 1,225 кг/. Однако с увеличением влажности плотность воздуха слегка уменьшается. Из-за того, что зимой воздух более плотный, ветрогенератор будет вырабатывать зимой больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра. На территории, расположенной высоко над уровнем моря, например, в горах, атмосферное давление меньше и, соответственно, меньше плотность воздуха. [1;4]
Ротор ветротурбины "захватывает" энергию ветрового потока, находящегося возле него. Понятно, что чем больше площадь ротора, тем больше электроэнергии он может выработать. Так как площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, ветрогенератор вдвое большая по размеру сможет выработать в четыре раза больше энергии. Однако, процесс увеличения площади ротора нельзя свести к простому удлинению лопастей ветряка. С первого взгляда, кажется, что это наиболее простой путь увеличения количества "захватываемой" ветряком энергии. Но, увеличивая размер площади, охватываемой лопастями при вращении, мы тем самым увеличиваем нагрузку на систему при той, же скорости ветра. Для того чтобы система выдержала все нагрузки, необходимо усилить все ее механические компоненты. Становится понятно, что подобное решение проблемы требует дополнительных финансовых затрат.
Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ветрогенератор может преобразовать в электроэнергию. Большая скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроустановкой. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра. Таким образом, например, если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в восемь раз. Приведенная внизу таблица показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность - 1,225 кг/м3, атмосферное давление над уровнем моря 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/) выглядит следующим образом: 0,5*1,225*V3, где V - скорость ветра в м/сек.
(согласно Датской ассоциации производителей ветротурбин)
|
м/с |
Вт/ |
|
1 |
1 |
|
3 |
17 |
|
5 |
77 |
|
9 |
477 |
|
11 |
815 |
|
15 |
2067 |
|
18 |
3572 |
|
21 |
5672 |
|
23 |
7452 |
Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и скорость ветра. Конструкция ветрогенератора рассчитана для работы при скорости ветра в диапазоне 3 - 30 м/сек. Более высокая скорость ветра может разрушить ветряк, поэтому большие ветрогенераторы оснащены тормозами. Малые ветряки могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек.
Шкала скорости ветра:
|
Скорость ветра, м/сек |
Тип ветра |
|
0-1,8 |
Безветрие |
|
1,8-5,8 |
Слабый |
|
5,8-8,5 |
Умеренный |
|
8,5-11 |
Нормальный ветер |
|
11-17 |
Сильный ветер |
|
17-25 |
Очень сильный |
|
25-43 |
Шторм |
|
Более 43 |
Ураган |
Поверхность Земли с ее растительностью и строениями, находящимися на ней, является основным фактором, влияющим на уменьшение скорости ветра. Это явление описывают как влияние неровности рельефа. С удалением от поверхности Земли уменьшается и влияние неровности рельефа, при этом ламинарные воздушные потоки увеличиваются. Другими словами, чем выше - тем больше скорость ветра. На высоте около 1 км рельеф практически не влияет на скорость ветра. В более низких слоях атмосферы на скорость ветра большое влияние оказывает трение с поверхностью Земли. Для ветроэнергетики это означает, что чем больше неровность рельефа, тем ниже будет скорость ветра. Скорость ветра в значительной степени замедляется из-за лесов и больших городов, в то время как большие водные пространства или, к примеру, территории аэропортов почти не оказывают замедляющего эффекта на ветер. Здания, леса и другие препятствия не только замедляют скорость ветра, но и создают турбулентные потоки.
Как уже было отмечено, меньше всего на скорость ветра влияют водные пространства. Оценивая пригодность данной территории для установки ветряка, т.е. ее ветровой потенциал, специалисты пользуются классификацией неровности рельефа. Более высокий класс неровности рельефа означает большее количество препятствий на поверхности и, соответственно, большее замедляющее влияние на скорость ветра. Поверхность моря определяется как неровность класса 0.
Классификация неровностей поверхности и рельефа:
0 - водная поверхность;
0.5 - полностью открытый рельеф с гладкой поверхностью (взлетные полосы на территории аэродромов, покосы);
1 - открытая сельскохозяйственная местность без заборов, изгородей и низких строений; малые возвышенности;
1.5 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 1250 м;
2 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 500 м;
2.5 - сельскохозяйственные угодья с большим количеством зданий, с деревьями, кустарниками или навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 250 м;
3 - деревни, поселки, сельскохозяйственные земли с большим количеством или с очень высокими изгородями, лесами, а также очень неровный рельеф;
3.5 - города с высокими зданиями;
4 - большие города, мегаполисы с высокими зданиями и небоскребами.
В промышленности также существует такое понятие как сдвиг ветра. Оно описывает процесс уменьшения скорости вихревых потоков по мере их приближения к поверхности земли. Сдвиг ветра также необходимо учитывать во время проектирования ветроустановки. Так, если ветротурбина имеет большой диаметр ротора, но высота ее башни незначительна, то в результате ветер, воздействующий на конец лопасти, находящейся в верхней позиции, будет иметь максимальную скорость, а ветровой поток, воздействующий на конец лопасти, находящейся внизу, будет минимальным, что может привести к разрушению ветряка.[3;6]
Среднегодовые скорости ветра. Данные о среднегодовых скоростях ветра служат исходной характеристикой общего уровня интенсивности ветра. По величине среднегодовой скорости ветра в первом приближении можно судить о перспективности применения ветроэнергетических установок в том или ином районе. Однако необходимо иметь в виду, что скорость ветра зависит от рельефа местности, шероховатости поверхности, наличия затеняющих элементов, высоты над поверхностью земли. У разных станций эти условия могут существенно отличаться. Поэтому для сопоставления средних скоростей ветра их необходимо приводить к сравнимым условиям. Представляется целесообразным за сравнимые условия принять условия открытой ровной местности и высоту 10 м от поверхности земли.
Результаты обработки 20-летних рядов наблюдений за скоростью ветра по 37 метеорологическим станциям Кольского полуострова [6] , полученные с учетом приведения их к сравнимым условиям, представлены на рис. 2.1. Для наглядности и удобства практического использования, данные о средних многолетних скоростях нанесены на карту. Из рисунка следует, что наибольшие скорости ветра наблюдаются в прибрежных районах Баренцева моря. На северном побережье Кольского полуострова они составляют 7-9 м/с. Характерно, что скорости ветра заметно снижаются по мере удаления от береговой линии.
С высотой средние многолетние скорости ветра существенно возрастают. На рис. 2.2. представлена зависимость приращения средней многолетней скорости ветра при переходе от высоты 10 м к высотам 20, 30, 50, 70 и 100 м.
Говоря о среднегодовых и среднемноголетних скоростях ветра, уместно отметить и еще одно весьма важное обстоятельство. В прибрежных районах Кольского полуострова изменение среднегодовой скорости ветра от года к году невелико и характеризуется коэффициентом вариации в пределах 5-8%. В то же время коэффициент вариации стока на реках региона составляет около 15-20%. Таким образом, в многолетнем разрезе поступление ветровой энергии подвержено меньшей изменчивости, чем гидроэнергии рек.
Рис. 2.1. Средние многолетние скорости ветра (м/с) на высоте 10 м
от поверхности земли в условиях открытой ровной местности
Рис. 2.2. Приращение среднегодовой скорости ветра Δυ при переходе
от высоты 10 м к высоте H
Годовой ход ветра (рис. 2.3.) представляет собой сезонное изменение средних скоростей ветра. На Кольском полуострове наиболее ярко оно проявляется на северном побережье, где разница между зимним максимумом и летним минимумом скоростей ветра достигает 5-6 м/с. Полученные кривые свидетельствуют, что повсеместно складываются весьма благоприятные предпосылки для эффективного использования энергии ветра. Максимум скоростей ветра приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии. Весьма существенно, что зимний максимум находится в противофазе с годовым стоком рек (рис. 2.3.), то есть ветровая и гидроэнергия удачно дополняют друг друга. Это создает благоприятные условия для их совместного использования.
Рис. 2.3. Годовой ход среднемесячных скоростей ветра на островах (1) и
побережье (2) Баренцева моря, на побережье Белого моря (3) и
в Хибинах (4).
1 – метеостанция о. Харлов, 2 – Дальние Зеленцы,
3 – Чаваньга, 4 - Центральная
Суточный ход ветра представляет собой изменение средних скоростей ветра в течение суток. Наиболее четко он прослеживается в летнее время и мало проявляется зимой. Летом скорости ветра в дневные часы в среднем на 1,5-2,0 м/с выше, чем ночью. В условиях снижения общего уровня интенсивности ветра в летнее время дневной максимум скоростей ветра является благоприятным для эффективного использования энергии ветра, поскольку именно в дневные часы, как правило, наблюдается повышенная потребность в энергии со стороны потребителя.[5]
Повторяемость скоростей ветра показывает, какую часть времени в течение рассматриваемого периода дули ветры с той или иной скоростью. С помощью этой характеристики выявляется энергетическая ценность ветра, и находятся основные энергетические показатели, определяющие эффективность и целесообразность использования энергии ветра. В практике выполнения ветроэнергетических расчетов обычно выполняется аппроксимация (выравнивание) эмпирической повторяемости скоростей ветра с помощью различных аналитических зависимостей. Наибольшее распространение в этом плане получило двухпараметрическое уравнение Вейбулла [2]. Годится оно и для описания распределения скоростей ветра в условиях Кольского полуострова. Расчеты показали, что уровень сходимости эмпирических (фактических) и аналитических распределений, полученных по уравнению Вейбулла, достаточно высок. На рис. 2.4. показаны аналитические кривые повторяемости скоростей ветра при различных значениях среднегодовой скорости (от 4 до 12 м/с). Очевидно, что в более ветреных районах спектр наблюдаемых скоростей шире и доля высоких скоростей выше. Площадь под каждой из приведенных кривых одинакова, она равна 100% (или 8760 часов годового времени).
Рис. 2.4. Кривые повторяемости скоростей ветра при различных
среднегодовых скоростях.
Повторяемость направлений ветра показывает, какую часть времени в течение рассматриваемого периода (месяца, года) дули ветры того или иного направления. Правильный учет направлений ветра играет важную роль в определении оптимального расположения ветроустановок на местности.
Имеющиеся в Справочнике по климату [4] многолетние данные о ветре показывают, что на Кольском полуострове имеются районы с преобладающими направлениями ветра. К числу их относится северное побережье полуострова, где около 50-60% годового времени дуют юго-западные ветры. Более детальное изучение направлений ветра в этом районе (по 16 направлениям и с учетом не только повторяемости направления, а и средней скорости ветра по каждому направлению), позволило существенно уточнить общую картину. Наибольшее внимание было уделено метеостанциям Дальние Зеленцы и Териберка. В районе этих станций имеет место высокий потенциал энергии ветра. Кроме того, они располагаются недалеко от Серебрянских и Териберских гидроэлектростанций, связанных с Кольской энергосистемой и способных облегчить крупномасштабное использование энергии ветра в этом районе. На рис. 2.5. в качестве примера представлена роза ветров по метеостанции Дальние Зеленцы, построенная по результатам обработки многолетних данных. Видно, что более половины годового времени дуют ветры юго-западной четверти.
Рис. 2.5. Годовая и месячные розы ветров на метеостанции ДальниеЗеленцы (по данным наблюдений за 1975-84 гг.)
При изучении повторяемости направлений ветра необходимо иметь в виду, что с энергетической точки зрения важнее знать не столько преобладающее направление ветра, сколько энергетическую ценность ветра (возможную выработку) по каждому направлению. Для оценки этого были проведены расчеты возможной выработки энергии ВЭУ по каждому направлению и построены соответствующие розы выработки (рис. 2.6.). Из сопоставления рисунков 2.5.-2.6. следует, что по одноименным месяцам роза ветров и роза выработки существенных различий в их конфигурации не имеют. Это означает, что в рассматриваемых районах господствующие направления ветра являются одновременно и наиболее энергонасыщенными.
В ходе исследования повторяемости направлений ветра было выявлено, что в зависимости от времени года роза ветров и господствующее направление ветра претерпевают существенные изменения. В зимние месяцы (октябрь-март) на ветры юго-западной четверти может приходиться до 70-90% времени. Преобладание ветров этих направлений является подавляющим. То же самое можно сказать и о выработке энергии с этих направлений (рис. 2.6). В теплое время года все коренным образом изменяется: неявными или совсем другими становятся преобладающие направления ветра, с уменьшением общей интенсивности ветра снижаются объемы возможной выработки энергии. Последнее хорошо прослеживается по размерам построенных роз, которые пропорциональны объемам месячной выработки.
Рис. 2.6. Месячные розы выработки энергии ветроустановкой
мощностью 4 кВт в районе п. Дальние Зеленцы
Наличие господствующих направлений ветра позволяет более компактно и с меньшими затратами размещать ВЭУ на местности при создании многоагрегатных ветроэлектрических комплексов и станций. Так, если в районе п. Дальние Зеленцы ветроустановки выстроить в ряды с интервалом всего в один диаметр ветроколеса и ориентировать их своим фронтом на господствующее направление, то в течение 92% годового времени они не будут затенять и создавать помехи друг другу. В зимние месяцы этот показатель возрастает до 96-97%. Потери выработки энергии от такого плотного размещения ВЭУ минимальны и составляют около 6% в год, снижаясь в отдельные зимние месяцы до 2,5-3,0%, а выгода на сооружении подъездных путей, протяженности кабельных линий очевидна. Указанный район перспективен для сооружения многоагрегатных ветровых парков.
Сведения о максимальных скоростях ветра являются важной составной частью ветроэнергетического кадастра. Они необходимы для выполнения расчетов на прочность отдельных узлов и элементов ветроэнергетических установок (башни, лопастей, устройств ориентации на ветер и др.). Ошибка в определении максимальных скоростях может привести либо к излишнему запасу прочности и утяжелению конструкции ВЭУ, либо наоборот, к созданию недостаточно прочных установок, следствием чего могут быть их разрушения.
Определение максимальной скорости базируется на результатах наблюдений за прошлое время и представляет собой, по сути, прогноз на будущее. В прикладной климатологии о максимальной скорости ветра принято говорить как о скорости, возможной один раз в заданное число лет.
Результаты исследований данного вопроса применительно к Кольскому полуострову показали, что наибольшие скорости ветра наблюдаются на побережье Баренцева моря и в Хибинских горах. Здесь один раз в 10 лет в порыве (интервал осреднения 3 с) максимальные скорости могут достигать соответственно 45 и 48 м/с.
На большей высоте скорости ветра возможны выше. Об этом свидетельствуют результаты зондирования атмосферы на аэрологических станциях. Однако ветер там отличается меньшей порывистостью. На высоте 100 м один раз в 10 лет может наблюдаться скорость ветра в порыве, равная 49-50 м/с. При переходе к повторяемости 1 раз в 20 лет значения максимальных скоростей увеличатся до 50-52 м/с на высоте 10 м и до 52-55 м на высоте 100 м.
Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива. Огромно разнообразие машин, изобретенных или предложенных для производства энергии за счет ветра, многие из них представляют собой довольно необычные конструкции. Тем не менее, существуют два основных типа современных ветрогенераторов.
Ветроэлектрогенератор с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, - наиболее распространенный тип ветроэлетроустановок ВЭУ. Расположение ведущего вала ротора - части турбины, соединяющей лопасти с генератором, - считается осью машины. У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально.
В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой - так называемый наветренный ротор или за опорой - подветренный ротор. Чаще всего турбины с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим числом лопастей. Последние ветряки представляют собой диск с большим количеством лопастей. Они получили название "монолитных" установок. Такие установки используются в первую очередь в качестве водяных насосов. В отличие от них площадь ротора турбины с малым количеством лопастей (две-три) не является сплошной. Эти турбины относят к "немонолитным" установкам. Для наиболее эффективной работы ветряка его лопасти должны максимально взаимодействовать с ветровым потоком, проходящим через площадь вращения ротора. Ветряки с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения. В то время как установки с двумя или тремя лопастями должны вращаться с очень высокой скоростью, чтобы максимально "охватить" ветровые потоки, проходящие через площадь ротора. Теоретически, чем больше лопастей у ротора, тем эффективней должна быть его работа. Однако, ветряки с большим количеством лопастей менее эффективны, чем ветрогенераторы с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу.
Для водяных насосов, работающих при помощи ветряков, необходимо создание высокого стартового вращающего момента. Ветряки с большим количеством лопастей используются для подъема воды именно потому, что благодаря низкому коэффициенту окружной скорости на конце лопасти создаются высокие стартовые характеристики и установка может работать при малых скоростях ветра.[1]
У ветряков с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. В мире существует всего лишь несколько производителей таких ветряков, наиболее известный из них - компания "Flowind". Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, "захватывают" ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков. Автором идей создания турбины с вертикальной осью вращения является французский инженер Дарриус (Darieus).
Несмотря на свое внешнее различие, ветряки с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой похожие системы. Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями ветряка, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в аккумуляторах для более позднего использования.
По способу взаимодействия с ветром ветряк делятся на установки с жестко закрепленными лопастями без регулирования и на агрегаты, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом. Обе конструкции имеют преимущества и недостатки. Ветряки, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии. В то же время, эти ветряки должны быть оснащены специальными подшипниками, которые, исходя из имеющегося уже опыта, часто являются причиной поломок агрегатов. Турбины с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, однако их эффективность использования ветрового потока ниже.
Ветроэнергетические установки представляют собой достаточно сложное изделие. Многие из ранее разработанных образцов оказались ненадежными. Например, фотоэлектрический модуль, в отличие от ветряка, изначально является надежным изделием, так как его конструкция не содержит никаких движущихся элементов. Ветряк состоит из множества механизмов, и надежность каждого отдельного из них зависит от профессионализма его разработчиков и производителей.[3]
Размер современных ветрогенераторов имеет широкий диапазон: от малых 100 кВт-ных, предназначенных для обеспечения электроэнергией отдельных домов или коттеджей, до огромных установок мощностью более 1 МВт, диаметр лопастей которых превышает 50 м. Подавляющее большинство работающих ветрогенераторов представляет собой горизонтально-осевые конструкции с тремя лопастями диаметром 15-40 метров. Такие ветряки обладают установленной мощностью 50-600 кВт и более. Часто подобные ветрогенераторы сгруппированы на одной территории, образуя, таким образом, ветроэлектростанции (ВЭС). Электроэнергия, выработанная на ветроэлектростанциях, поступает в электросеть. Современные большие ветрогенератоы в основном вырабатывают электроэнергию с напряжением 690 В. Трансформатор, устанавливаемый рядом с ВЭУ или в ее башне, повышает напряжение до 10-30 кВ.
Стоимость 1 кВт установленной мощности крупного современного ветрогенератора составляет около 800 долларов США, что гораздо ниже показателя 1981 года - 2500 долларов США за 1 кВт установленной мощности.
Современные ветрогенератор обычно состоят из следующих основных компонентов:
Лопастей
Ротора
Трансмиссии
Генератора
Система контроля
Лопасти. Именно этот компонент ветряка "захватывает" ветер. Современный дизайн ветряка позволяет увеличивать эффективность этого процесса. Как уже описано выше, обычно ветрогенераторы имеют две или три лопасти. Лопасти производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким, и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 метров, вес лопасти может превышать 1000 кг.
Тормозная система Трансмиссия Генератор
Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию (в некоторых системах вал ротора напрямую соединен с приводом генератора).
Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию.
Все системы мощной ветроэлектроустановки контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ветряка. Система контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора ветрогенератора разворачивает ветряк по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.[5]
Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ветрогенератора.
Исторически первым стационарным агрегатом, использующим энергию ветра, была ветряная мельница, которая вручную ориентировалась на ветер. Основным ее рабочим органом являлось многолопастное колесо с горизонтальной осью вращения, устанавливаемое по направлению ветра. Такие ветродвигатели широко применялись в средние века и в последующем для размола зерна, подъема и перекачки воды, а также для привода некоторых производств. Крупные ветряные мельницы заводского изготовления при высоких скоростях ветра могли развивать мощность до 60 кВт. В XIX веке число ветряных мельниц на территории России превышало 200 тысяч, их суммарная мощность составляла примерно 1,3 млн. кВт, а в 1930 г. в СССР их насчитывалось более 800 тыс. штук.
В настоящее время известно много различных типов ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения (рис. 2.8.). Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Вращающий момент ветроколеса создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.
Рис. 2.8. Ветроколеса крыльчатых ветроустановок
1 – многолопастное, 2 – трехлопастное, 3 – двухлопастное,
4 – однолопастное с противовесом
Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. По классической теории Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра ξ = 0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45 – 0,48, а у тихоходных – до 0,36 – 0,38.
Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность Ζ , представляющая отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса – 5-7, трехлопастного - 4-5, шестилопастного - 2,5 - 3,5.
Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей. Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости ветра и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты.
Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять 20 – 30% от номинальной и менее. При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких к.п.д. на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют 2 генератора с номинальными мощностями 100 и 20 – 30% от номинальной мощности ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра. [7]
Установка ветроколеса на ветер, т.е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности – посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках – специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс от датчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки. Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор, пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра.
Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы.
Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра, ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение.
Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса (рис. 2.9.). Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,1 – 0,15.
Рис. 2.9. Ротор Савониуса
а) – двухлопастный, б) – четырехлопастный
В последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух – четырех изогнутых лопастей (рис. 2.10.). Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30 – 0,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями (рис. 2.10. б, в). Главным преимуществом ветроустановок Дарье является то, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот
Рис. 2.10. Ветроэнергетические установки (Дарье) с вертикальным ротором
а – Ф-образный, б - D - образный, в – с прямыми лопастями.
1 – башня (вал), 2 – ротор, 3 – растяжки, 4 – опора, 5 – передача
вращающего момента ротора, циклично повторяющееся при работе.
Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора и серьезным авариям, что должно учитываться при конструировании ротора (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить.
Зависимости коэффициента использования энергии ветра x, от быстроходности Ζ для различных типов ветроколес приведены на рис. 2.11. Видно, что наибольшее значение ξ имеют двух- и трехлопастные колеса с горизонтальной осью вращения. Для них высокое ξ сохраняется в широком диапазоне быстроходности Ζ. Последнее существенно, так как ветроустановкам приходится работать при скоростях ветра, изменяющихся в больших пределах. Именно поэтому установки этого типа получили в последние годы наибольшее распространение.
Рис. 2.11. Типовые зависимости коэффициента использования энергии
ветра ξ от быстроходности ветроколеса Ζ
1 – идеальное крыльчатое ветроколесо; 2,3 и 4 – двух, - трех и много-
лопастные крыльчатые ветроколеса; 5 – ротор Дарье; 6 – ротор Саво-
ниуса; 7 – четырехлопастное ветроколесо датской мельницы.
Мощность ветрового потока пропорциональна плотности воздуха, площади поперечного сечения потока и скорости ветра в третьей степени. В силу кубической зависимости от скорости мощность ветра является крайне непостоянной величиной, изменяющейся в широких пределах. Среднегодовая удельная энергия ветра (энергия, протекающая за год через 1 м2 поперечного сечения) является интегральной (осредняющей) характеристикой. Она зависит еще и от повторяемости скоростей ветра, т.е. от того, какую долю годового времени дул ветер с той или иной скоростью. На рис. 2.7. в качестве примера показано, как формируется годовая сумма удельной энергии ветра (площадь под кривой Wуд) в ветровых условиях побережья Баренцева моря при среднегодовой скорости ветра = 8 м/с. Из-за кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,7-1,9 раза. Располагая данными о среднегодовых скоростях ветра (рис. 2.1.), вертикальном профиле ветра (рис. 2.2.), а также о повторяемости скоростей ветра (рис. 2.4.), можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом пункте Кольского полуострова на любой высоте. При оценке энергетических ресурсов обычно рассматривают потенциальные, технические и экономические ресурсы. Под потенциальными ветроэнергоресурсами понимается суммарная энергия движения воздушных масс, перемещающихся за год над данной территорией.
Рис. 2.7. Повторяемость скоростей ветра t и распределение годовой удельной
энергии Wуд на побережье Баренцева моря при υ=8 м/с
υ1 – наиболее часто наблюдаемая скорость;
υ2 - средняя скорость ветра;
υ3 – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовуювыработку энергии
Под техническими ветроэнергоресурсами понимается та часть потенциальных ресурсов, которая может быть использована с помощью имеющихся в настоящее время технических средств. Они определяются с учетом неизбежных потерь при использовании ветровой энергии.
Согласно теории идеального ветроколеса в полезную работу может быть преобразована только часть энергии, проходящей через сечение ветроколеса. Максимум полезной энергии оценивается коэффициентом использования энергии ветра xmax = 0,593. В настоящее время у лучших образцов отечественных и зарубежных ветроколес этот параметр достигает значений 0,45-0,48.
Кроме того, как показывает практика, существующими конструкциями ВЭУ полностью используется не весь диапазон скоростей ветра. При скоростях ветра ниже минимальной рабочей мощности ветроколеса не хватает даже на преодоление сил трения в узлах ВЭУ. В диапазоне скоростей от минимальной рабочей до расчетной, при которой ВЭУ развивает установленную мощность, использование энергии ветра осуществляется наиболее полно. При дальнейшем усилении ветра вплоть до максимальной рабочей скорости мощность ВЭУ поддерживается на постоянном уровне благодаря работе регулирующих устройств. Наконец, при скоростях ветра выше максимальной рабочей во избежание поломки ВЭУ выводится из работы.
Результаты расчета технических ветроэнергоресурсов Кольского полуострова представлены в табл. 2.1. Расчеты выполнялись по зонам, разбивка на которые производилась в соответствии с уровнем средних многолетних скоростей ветра υ на высоте 10 метров (рис. 2.1.). В первой зоне υ > 7 м/с, во второй - 6-7 м/с, в третьей - 5-6 м/с, в четвертой - 4-5 м/с. Расчетная скорость ветра (при которой ВЭУ развивает номинальную мощность) повсеместно выбиралась, исходя из обеспечения 3000 часов использования в году установленной мощности ВЭУ. Из табл. 2.1. следует, что если в указанных зонах построить сплошной "лес" ветроустановок, расположенных на расстоянии 10 диаметров ветроколеса друг от друга, то суммарная установленная мощность ВЭУ составит около 120 млн. кВт, а годовая выработка электроэнергии (технические ветроэнергоресурсы) - около 360 млрд. кВт·ч.
Представленная оценка свидетельствует об огромных ресурсах ветровой энергии на Кольском полуострове, они на порядок превосходят потребности в электроэнергии региона на сегодняшний день. Постановка задачи об использовании доступной части этих ресурсов и вовлечении их в хозяйственный оборот, безусловно, заслуживает внимания.
Таблица 2.1
Ресурсы ветра Кольского полуострова в приземном слое высотой 100 м
|
Наименование характеристики |
Зоны |
Всего |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
Среднегодовая скорость |
|||||
|
ветра в зоне, м/с |
|||||
|
на высоте 10 м |
7.5 |
6.5 |
5.5 |
4.5 |
|
|
на высоте 70 м |
9.6 |
8.6 |
7.5 |
6.5 |
|
|
Удельная энергия ветра, |
|||||
|
МВт·ч/(м2/год) |
|||||
|
на высоте 10 м |
5.2 |
3.4 |
2.4 |
1.4 |
|
|
на высоте 70 м |
10.7 |
7.8 |
5.2 |
3.4 |
|
|
Среднегодовая удельная |
|||||
|
мощность ветра, кВт/м2 |
|||||
|
на высоте 10 м |
0.59 |
0.39 |
0.27 |
0.16 |
|
|
на высоте 70 м |
1.22 |
0.89 |
0.59 |
0.39 |
|
|
Расчетная скорость ветра, м/с |
|||||
|
на высоте 10 м |
12.3 |
10.4 |
8.5 |
7.6 |
|
|
на высоте 70 м |
15.7 |
13.8 |
11.6 |
11.0 |
|
|
Мощность ВЭУ на 1 км2 |
|||||
|
территории, МВт |
7.2 |
4.9 |
2.9 |
1.9 |
|
|
Годовая выработка ВЭУ |
|||||
|
на 1 км2, млн. кВт·ч |
21.6 |
14.7 |
8.7 |
5.7 |
|
|
Число часов использования |
|||||
|
установленной мощности в год |
3000 |
3000 |
3000 |
3000 |
|
|
Площадь зоны, тыс. км2 |
3.5 |
5.9 |
9.4 |
20.7 |
39.5 |
|
Мощность ВЭУ в зоне, тыс. МВт |
25 |
29 |
27 |
39 |
120 |
|
Технические ветроэнерго- |
|||||
|
ресурсы, млрд. кВт·ч |
75 |
87 |
81 |
117 |
360 |
Электроснабжение удаленных децентрализованных потребителей. Основная часть промышленных предприятий, городов и поселков Мурманской области получает электроэнергию от Кольской энергетической системы. Наряду с этим, имеется большое число удаленных изолированных потребителей (отдельных поселков и сел, метеостанций, маяков, пограничных застав, объектов Северного флота и др.), получающих электроэнергию от автономных дизельных электростанций (ДЭС). Мощность последних составляет от 8-16 до 300-500 кВт. Общее число таких электростанций в регионе – несколько десятков.
В виду значительной удаленности и разобщенности, а также сравнительно малых значений потребляемых мощностей присоединение изолированных потребителей к центральным электрическим сетям экономически невыгодно. Поэтому электроснабжение таких потребителей от дизельных электростанций сохранится и в перспективе.
Работа ДЭС связана с потреблением достаточно дорогого дизельного топлива. Его дороговизна определяется не только тем, что это более качественное топливо по сравнению с мазутом, но и значительными транспортными расходами по его доставке.
Например, доставка топлива в прибрежные районы Баренцева и Белого морей осуществляется водным морским транспортом. Нефтеналивные суда, следуя вдоль побережья, производят поочередную отгрузку топлива всем населенным пунктам. При отсутствии причальных сооружений разгрузка судов производится на рейде с использованием маломерного флота. Дальнейшая доставка топлива от побережья в глубинные пункты производится с использованием автомобильного, гусеничного транспорта, санно-тракторных поездов, иногда воздушного транспорта.
Из-за удаленности и плохих транспортных связей затраты на топливо возрастают в прибрежных районах Кольского полуострова на 30-70%, а в труднодоступных районах материковой части – на 150-200% и более.
В этих условиях применение ветроэнергетических установок может способствовать экономии дорогостоящего дизельного топлива. Размер экономии зависит от потенциала ветра и режима работы ДЭС. Как показали расчеты, при благоприятных ветровых условиях ВЭУ может вытеснить до 30-50%, а в наиболее ветреных районах даже до 60-70% дефицитного органического топлива. В конечном счете это способствует снижению суммарных затрат и стоимости вырабатываемой электрической энергии.
Участие ветроэнергетических установок в теплоснабжении потребителей. Речь идет о применении ветроэнергетических установок для теплоснабжения небольших городов и поселков, расположенных в ветреных районах, охваченных централизованным электроснабжением, но испытывающих трудности с поставками топлива. Благоприятствующими обстоятельствами для такого использования ВЭУ является следующее.
1. Отопительный сезон на Кольском полуострове длится 9 месяцев. При этом в зимнее время скорости ветра заметно выше, чем в летние. Сезонный максимум потребности в тепловой энергии со стороны потребителя совпадает с возможным поступлением энергии от ВЭУ.
2. Ветер, как известно, является вторым после наружной температуры воздуха параметром, определяющим объемы теплопотребления. Применение ВЭУ позволит превратить ветер из климатического фактора, определяющего повышенные теплопотери, в полноценный источник энергии, обеспечивающий именно в ветреные периоды активное поступление энергии на нужды отопления.
3. У большинства потребителей доля теплопотребления в общем объеме энергопотребления весьма высока и порой достигает 70-90%. Применение ветроустановок в этих условиях будет способствовать экономии дорогостоящего топлива, доставляемого на Кольский полуостров за 1500-2000 км.
4. При использовании энергии ветра на нужды отопления не обязательны высокие требования к качеству энергии, вырабатываемой ВЭУ. Это позволяет максимально упростить конструкцию ВЭУ, сделав ее одновременно и более дешевой и более надежной.
5. При использовании ВЭУ для теплоснабжения представляется возможность успешно бороться с основным недостатком ветровой энергии - непостоянством во времени. Кратковременные секундные и минутные изменения мощности ВЭУ сглаживаются за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Более продолжительные колебания (в течение десятков минут и нескольких часов) могут выравниваться за счет аккумулирующей способности отапливаемых зданий. Во время длительных затиший в работу могут включаться специальные аккумулирующие устройства или дублирующие источники тепла на органическом топливе.
На рис 2.12. приведена зависимость роста теплопотерь здания от скорости ветра. Видно, что при очень высоких скоростях ветра теплопотери почти удваиваются. С использованием этой зависимости, а также многолетних данных о среднесуточных температурах наружного воздуха и скорости ветра были получены графики сезонного изменения теплопотребления в условиях побережья Баренцева моря (рис. 2.13.). Как следует из рисунка, ветер существенно увеличивает теплопотребление. В зимние месяцы это увеличение достигает 30%. Вместе с тем, обращает на себя внимание синхронность сезонного изменения среднего уровня ветра (среднемесячной скорости ветра Vм) и потребности в тепловой энергии, это является серьезной предпосылкой для использования ветра в качестве источника тепловой энергии.
Рис. 2.12. Относительное увеличение теплопотерь здания
от скорости ветра
Рис. 2.13. Сезонное изменение среднемесячной скорости ветра (1) и
теплопотребления зданий, обусловленного наружной
температурой воздуха (2) и ветром (3), на северном
побережье Кольского полуострова.
Потребность здания (или группы зданий) в тепловой энергии определяется выражением:
|
Q = qBkv (tB-tH), |
(2.1) |
где q – удельная тепловая характеристика здания, кВт/м3·град;
B – наружный объем отапливаемого здания, м3;
kv- коэффициент, учитывающий рост теплопотерь от ветра (рис. 2.12.);
tB и tH - внутренняя и наружная температура воздуха, 0С.
Объем и тепловая характеристика здания являются величинами постоянными, поэтому потребление тепла зависит главным образом от перепада внутренней и наружной температур Δt = tB - tH и от поправки на ветер, учитываемой коэффициентом kv .
Если наряду с котельной для отопления использовать ветроустановку соизмеримой мощности, то часть графика отопительной нагрузки будет покрываться от ВЭУ, а остальная – от котельной. В периоды с сильным ветром ВЭУ может в значительной мере или полностью обеспечить потребности в тепле, а иногда даже создать избыток энергии. Зато в периоды холодной маловетреной погоды почти вся нагрузка ложится на котельную.
Все сказанное можно проследить по рис. 2.14., на котором представлен фрагмент хронологического хода возможного участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки. Расчеты выполнены для случая, когда мощность котельной
установкой и ВЭУ равны ( βT= NВЭУ/Nk = 1). Кривая с черными точками представляет собою график потребности в тепловой при температуре tB = +200C и
отсутствии ветра.
Рис. 2.14. Фрагмент хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика
отопительной нагрузки. Ветрополигон КНЦ РАН в п. Дальние Зеленцы,
1 – график тепловой нагрузки, 2 – полезно используемая энергия ВЭУ,
3 – избыточная энергия ВЭУ, 4 – энергия, вырабатываемая котельной
Если учесть влияние ветра, то реальный график теплопотребления будет выше (чем сильнее ветер, тем выше), на рисунке он обозначен ступенчатой линией 1. На деле редко предложение со стороны ВЭУ будет точно совпадать с потребностью со стороны потребителя. Чаще будет так, что либо выработка ВЭУ, отмеченная на рис. 2.14. позицией 2, будет превышать потребности и создавать избытки энергии (позиция 3), либо ее будет не хватать для полного покрытия потребностей и придется заштрихованную часть графика нагрузки (позиция 4) покрывать за счет котельной.
Доля αT участия ВЭУ в теплоснабжении потребителя определится как отношение полеиспользованной выработки ВЭУ, вписавшейся в график отопительной нагрузки, ко всему объему теплопотребления. Синхронная обработка двухлетних данных о температуре наружного воздуха (а, значит, о потребности в тепле) и о ветре (предложение со стороны ВЭУ) показали, что доля αT зависит от мощности ВЭУ NВЭУ, ветровых условий (среднегодовой скорости ветра Vг) технической характеристики ВЭУ (расчетной скорости Vp, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность NВЭУ), соотношения мощностей ВЭУ и котельной ( βT= NВЭУ/Nk).
Аналитически зависимость от αT указанных факторов аппроксимируется выражением:
Графическая иллюстрация этой зависимости представлена на рис.2.15 . Из нее следует, что при прочих равных условиях увеличение мощности ВЭУ (параметра βT) ведет к увеличению αT, но этот процесс быстро насыщается, имеет свой предел, после которого дальнейшее наращивание мощности NВЭУ будет невыгодно в силу чрезмерных капиталовложений. Расчеты, выполненные применительно к ветровым условиям побережья Баренцева моря показали, что оптимальной является мощность ВЭУ около 0,5-0,7 от мощности котельной. При этом ВЭУ в состоянии вытеснить 50-70% органического топлива, расходуемого котельной.
Рис. 2.15. Зависимость доли участия ВЭУ в покрытии графика тепловой
нагрузки от соотношения мощностей βT= NВЭУ/Nk
Эффект от использования энергии ветра на нужды отопления может быть повышен за счет применения теплоаккумулирующих устройств, которые позволяют не сбрасывать вхолостую появляющиеся периодически избытки ветровой энергии, а запасать их и в нужное время полезно использовать. В результате участие ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки увеличивается зимой на 5-10 %, а во время прохладного северного лета – на 20-25 %. Аккумулирование теплоты позволяет гораздо реже включать в работу котельную. Это способствует упрощению обслуживания системы теплоснабжения и снижению эксплуатационных расходов.
Крупномасштабное использование ВЭУ в составе энергосистемы. В Европе накоплен значительный опыт работы ветропарков в составе энергосистемы. В Дании, Германии, Испании суммарная мощность ветропарков исчисляется миллионами киловатт. Это при том, что крупномасштабное развитие ветроэнергетики требует обязательного наличия в энергосистеме маневренных мощностей (гидравлических, газотурбинных или гидроаккумулирующих электростанций). Возможности крупномасштабного развития системной ветроэнергетики в Мурманской области столь же велики как и в названных странах. Имеется ряд предпосылок, благоприятствующих крупномасштабному вовлечению ветроэнергоресурсов в топливно-энергетический баланс региона. Среди них: высокий потенциал ветра, позволяющий ожидать от ВЭУ выработку, гораздо более высокую, чем в Дании и Германии; зимний максимум интенсивности ветра, совпадающий с сезонным максимумом потребления энергии; наличие в Кольской энергосистеме 17 ГЭС суммарной мощностью около 1600 МВт (в т.ч. более 1000 МВт вблизи побережья Баренцева моря) с водохранилищами многолетнего, сезонного и суточного регулирования, позволяющего накапливать воду за счет работы ВЭУ в период активных ветров и срабатывать ее при ослаблении ветра. Именно наличие ГЭС создает на Кольском полуострове уникальные условия для крупномасштабного использования энергии ветра.
Системную ветроэнергетику целесообразно развивать в первую очередь там, где высок потенциал ветра, имеются дороги для доставки ВЭУ, есть выход в энергосистему. Предпочтительно, чтобы такой район был вблизи действующих или строящихся гидроэлектростанций. В Мурманской области этим требованиям отвечает, например, район, охватывающий Серебрянские и Териберские ГЭС [6,16]. Это четырехугольник со сторонами примерно 40х40 км, в вершинах которого расположены поселки Териберка и Дальние Зеленцы, Серебрянская ГЭС-1 и 81-й км автодороги Мурманск-Туманный (отворотка на Териберку). Расчеты показывают, что если на 3% охватываемой площади разместить ВЭУ, причем рационально, с учетом местной розы ветров, то их суммарная мощность может составить около 500 МВт.
Выдача мощности и энергии от ветропарков возможна по существующим линиям электропередачи напряжением 150 и 330 кВ. Во избежание перегрузки ЛЭП выдача энергии может осуществляться в компенсационном режиме, то есть со снижением мощности ГЭС при устойчивом сильном ветре. Благодаря этому в водохранилище может накапливаться дополнительный запас воды, линии электропередачи не перегружаются, а система “ветропарки + ГЭС” приобретает более базисные эксплуатационные характеристики. При этом равномерность загрузки ЛЭП возрастает, что ведет к увеличению их экономической эффективности.
Ветропарки мощностью около 10 МВт в районе пос. Териберка. При выборе места для размещения ветропарков необходимо, чтобы площадка располагалась в зоне с высоким потенциалом ветра, обеспечивала наименьшие расходы на создание инфраструктуры, обустройство подъездных путей, мест базирования персонала и монтажной техники. Площадка должна находиться как можно ближе к высоковольтной подстанции, чтобы снизить расходы на подключение ветропарка к сети.
Конечно, наилучшим местом для расположения ВЭУ с точки зрения режима ветра являются вершины холмов. Однако на практике предпочтение зачастую отдают плоским открытым местностям, с несколько худшими ветровыми условиями, но с более благоприятным рельефом, что значительно упрощает и удешевляет строительство подъездных путей и монтаж ВЭУ.
Ветропарк вблизи п. Лодейное. Предлагается площадка, расположенная в непосредственной близости от поселка Лодейное (в 3 км от села Териберка). Она находится в зоне высоких скоростей ветра, связана с Мурманском водным и автомобильным транспортом, располагает начальной инфраструктурой, имеет выход в электрическую сеть “Колэнерго”. Среднегодовая скорость ветра здесь на высоте 10 м составляет около 7,0 м/с. На рис.2.16. приведена карта, из которой видно, что к северу от жилых зданий п. Лодейное, вдоль морского берега располагается относительно ровная поверхность, пригодная для сооружения ВЭУ. В настоящее время единственным строением на этой площадке является домик метеостанции.
Рис. 2.16. Карта-схема расположения 18 ветроустановок мощностью
600 кВт на перспективной площадке вблизи п. Лодейное
- площадка ветропарка
Площадка представляет из себя четырехугольник с размерами около двух километров с запада на восток и около километра с юга на север. Объемы работ по созданию инфраструктуры представляются здесь минимальными, так как через площадку проходит грунтовая дорога. На площадке можно разместить несколько ветроустановок суммарной мощностью до 10 МВт. Трансформаторная подстанция, пригодная для присоединения ветропарка, расположена в трех километрах от площадки.
Ветропарк в районе п.Лодейное может быть сформирован из современных ВЭУ мощностью 500-600 кВт, например Enercon E – 40/6,44 с диаметром ветроколеса 44 м и высотой башни 50 м. Это современная высокоэффективная безредукторная ветроустановка, производимая в Германии. Для монтажа ВЭУ потребуется автокран грузоподъемностью 100 т. С учетом местной розы ветров (рис.2.17), свидетельствующей о преобладании южных направлений, ветроустановки
на площадке могут быть размещены на расстоянии 10 диаметров ветроколеса в меридиальном направлении и на расстоянии 3-4 диаметра в широтном направлении. Именно такое размещение 18 ветроустановок суммарной мощностью 10,8 МВт и показано на рис.2.16.
Рис. 2.17. Годовая роза ветров метеостанции Териберка
Площадка для ветропарка на берегу Териберского водохранилища. Эта площадка расположена в 4 км от Верхне-Териберской ГЭС, имеет высотные отметки 140-150 м над уровнем моря, включает в себя часть побережья водохранилища, близлежащий остров и занимает примерно 2´2 км (рис. 2.18.). Она расположена
в непосредственной близости от вспомогательных напорных сооружений Верхне-Териберской ГЭС и на небольшом (до 4 км) расстоянии до возможного места присоединения ветропарка к сети. Ее общая площадь чуть меньше площадки вблизи п. Лодейное. К тому же она на 18 км удалена от моря, и режим ветра здесь ожидается несколько ниже, чем на прибрежной площадке. Тем не менее эта площадка заслуживает внимания как расположенная на открытой местности вблизи большого водоема, недалеко от благоустроенной автомобильной дороги и станционных сооружений В. – Териберской ГЭС.
Рис. 2.18. Площадка для ветропарка на берегу Териберского водохранилища:
автомобильная дорога Мурманск – Териберка
Рис. 2.19. Площадка ветропарка мощностью 1МВт x 50 вблизи
п. Туманный. Площадка ветропарка
Ветропарк мощностью 50 МВт в районе пос. Туманный. Площадка для этого достаточно крупного ветропарка располагается вдоль дороги п. Туманный – Нижне-Серебрянская ГЭС (рис. 2.19.). Здесь, на протяжении почти 6 километров справа от дороги тянется гряда плоских холмов шириной 1-2 км. Близкое расположение к подстанции Н. - Серебрянской ГЭС делает удобной выдачу мощности парка в энергосистему короткой кабельной или воздушной линией. Близость к поселку Туманный, в котором проживает эксплуатационный персонал каскада Серебрянских ГЭС, упрощает размещение рабочей силы и техники на период проведения строительно - монтажных работ.
Крупные ветропарки могут располагаться вдоль существующей автодороги Мурманск – Териберка – Туманный по обе стороны от дороги и на довольно большую глубину. По предварительным расчетам здесь могут располагаться несколько ветропарков мощностью по 100 МВт и более каждый.
Во многих странах мира, особенно в тех, где существует нехватка электроэнергии, люди с радостью приветствуют строительство ветряков. Однако там, где существует альтернативный выбор, использование того или другого источника энергии связано с его воздействием на экологию. Необходимо отметить, что воздействие на экологию того или иного источника энергии может быть оценено как положительно, что естественно дает преимущество для данного источника энергии, так и отрицательно. В этом разделе приводятся основные "экологические" аргументы, чаще всего встречающиеся у оппонентов ветроэнергетики.
Шум в основном производят вращающиеся лопасти и работающие механические части ветряка, в первую очередь коробки передач. Из-за того, что шум, по существу, является признаком неэффективности, а также из-за многих жалоб, производители ветротурбин уделили этому вопросу первостепенное значение. В результате - за последние пять лет им удалось значительно понизить уровень шума, производимый работающими ветряками. Критическим считается уровень шума в 40 децибел, но если рассматривать шум как помеху для сна, то, естественно, этот уровень должен быть ниже. Допустимый уровень обычно достигается на расстоянии около 250 м от мощного промышленного ветрогенератора. Тем не менее, вопрос отношения к шуму является и чисто психологическим; владелец машины, возможно, воспринимает шум, производимый работающим агрегатом как признак процветания, в то время как его соседи могут быть раздражены вторжением в "их пространство".
На ветровых электростанциях ветряки должны быть отделены друг от друга, по меньшей мере, расстоянием, равным высоте пяти - десяти башен. Это расстояние позволяет потоку ветра восстанавливаться, а турбулентность, созданная работой ротора одного ветряка, не влияет на работу соседнего ветряка, находящейся в подветренной стороне. Соответственно, получается, что только 1% земли, занятой под ветровую электростанцию, реально используется под установку башен и под подъездные пути. Чем выше и мощнее ветряки, тем большее расстояние необходимо между ними. Мегаваттные машины должны быть разделены расстоянием в полтора километра. Территория между мощными ветряками не может использоваться ни под строительство зданий, ни под лесоводство.
На равнинной местности ветряки всегда видны с дальнего расстояния. Необходимость в большом расстоянии между ветряками означает, что ветряки потенциально могут быть видны с расстояния в десятки километров. Однако на таких расстояниях для большинства людей вид на ветровую электростанцию будет "закрыт" разными строениями, деревьями, холмами. Чаще всего на ветряки обращают внимание туристы, проходящие или проезжающие мимо люди и летчики. Для последних существует опасность столкновений с ветряком во время низкого полета. Визуальное воздействие офшорных ветровых электростанций в полной мере пока еще не определено.[3]
Птицы часто сталкиваются с высоковольтными линиями передач, мачтами, антеннами, окнами зданий. Они также погибают из-за столкновения с проезжающими автомобилями. Ветряки редко вредят птицам. Наблюдения, проведенные в Тъяереборге (западная часть Дании), где установлен ветряк мощностью 2 МВт, имеющий ротор диаметром 60 м, показал, что птицы изменяли маршрут своего полета (вне зависимости от времени суток) на расстоянии 100-200 м до установленного ветряка, пролетая над ним на безопасном расстоянии. В Дании есть несколько видов птиц (в частности, соколы), которые полюбили гнездиться на башнях ветроэлектроустановок. Единственная территория, печально известная из-за проблем с птицами, находится в районе каньонов в штате Калифорния (Альтамонт Пасс). "Стена ветра", образованная турбинами, установленными на башнях решетчатого типа, буквально перекрыла выход из каньона. И как результат - было зафиксировано несколько случаев гибели птиц из-за столкновения с ветряками. В отчете Министерства экологии Дании отмечается, что линии электропередач, в т. ч. и от ветряков, представляют собой большую опасность для жизни птиц, чем непосредственно сами ветряки. Некоторые виды птиц "привыкают" к ветрякам быстро, другим требуется более длительный срок. Поэтому решение вопроса строительства ветровой электростанции поблизости от мест обитания птиц зависит и от видов птиц, распространенных в данной местности. При разработке места под строительство ветровой электростанции обычно также учитываются и маршруты миграции птиц. Офшорные ветровые электростанции практически не влияют на среду обитания водоплавающих птиц. Подобное заключение было сделано в результате трехлетнего исследования, проведенного на Датской оффшорной ветроэлектростанции Туна Кноб.
Было проведено несколько независимых исследований, связанных с гибелью птиц от вращающихся лопастей ветряка. К сожалению, подобное случается, но значительно реже, чем гибель птиц из-за столкновений с автомобилями, окнами зданий или высоковольтными линиями электропередач. Аргументом в защиту ветровых электростанций, также проверенным экспертами, является тот факт, что земля вокруг ветряка предоставляет прекрасные условия для размножения птиц.
Проводники электрического тока могут создавать помехи в работе телевизионных, радио и радарных установок. Металлические части вращающихся лопастей могут оказывать волновое воздействие на сигналы. Установить ретрансляторы для телевизионных и радио сигналов несложно, однако это не очень дешево.
За короткую историю развития современных ветряков стало ясно, что коммунальные энергетические компании отдают предпочтение большим установкам. Именно поэтому конструкторами и разработчиками ветряков было предпринято много усилий для разработки таких машин, которые бы соответствовали техническим, эстетическим и экономическим требованиям клиентов. В частности, значительные усилия были предприняты в этой области в начале 1980-х. Так, Департаментом по энергетике США была принята программа MOD 1,5, в соответствии с которой установленная мощность ветрогенераторов должна была достигать 3,2 МВт. В Дании разрабатывались ветряки с установленной мощностью 630 кВт (Nibe AB) и 2 МВт (компания "Tjaereborg"); в Швеции - ветряк мощностью 3 МВт (компания "Nasudden"), в Германии -3 МВт (компания "Growian"). Большинство из них оказались неудачными, хотя уже тогда стало ясно, что потенциал разработки ветрогенераторов мощностью более 2 МВт является многообещающим.
Многие из европейских исследовательских компаний в рамках существующих инициатив получили частичное или полное финансирование для разработки прототипов мегаваттных ветряков. Первая из таких опытных моделей была установлена в конце 1995 года.
В большинстве случаев компании используют модели своих турбин малой мощности в качестве основы для конструирования мевагаттных агрегатов. Исключением является немецкая компания "Tacke WindTechnik". Компания представила новую крупную ВЭУ с лопастями с изменяющимся углом. Конструкция этой ВЭУ ранее не использовалась компанией в других моделях. На сегодняшнем рынке производителей больших ВЭУ лидируют 5 компаний - "Enercon", "Nordtank", "Tacke", "Vestas" и "Bonus". Выпускаемые ими агрегаты имеют установленную мощность от 1,5 МВт и более (с 2003 года уже до 5 МВт).[6;5]
В любом случае установка мегаваттных машин представляет собой новые возможности. На территориях, полностью "заполненых" ветряками меньших мощностей, естественно, трудно найти площадки для установки мегаваттных ветряков, учитывая и тот фактор, что они должны гармонировать с ранее установленными ветрогенераторами. В Дании проводились исследования по поиску площадок для мегаваттных агрегатов на так называемых "промышленных" территориях. Результаты исследования выявили подходящие площадки в промышленных районах и в гаванях для монтажа около 200 мегаваттных установок, что соответствует 200-300 МВт установленной мощности. Количество энергии, выработанной такими машинами, может быть существенным. Мегаваттный ветряк может ежегодно вырабатывать около 5 миллионов кВт·ч если средняя скорость ветра выше 9 м/сек. При таких же ветровых условиях ветряк с установленной мощностью 1,3 МВт может вырабатывать уже 7 миллионов кВт·ч в год.
Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность. Эта величина указывает, сколько кВт·ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке. Так, 500 кВт-ный ветряк произведет 500 кВт· ч энергии за час работы при скорости ветра 15 м/сек (максимально необходимая скорость ветра). Обычно 600 кВт-ная машина в год производит около 500 000 кВт· ч при средней скорости ветра 4,5 м /сек. При скорости ветра 9 м/сек она выработал бы до 2 000 000 кВт·ч в год. Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 600 кВт) на среднюю годовую скорость ветра. Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности (КИУМ или КПД) для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке. КИУМ или КПД - это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года. Например, если 600 кВт-ный ветряк вырабатывает 2 млн. кВт в год, расчет ее КИУМ выглядит следующим образом: 2 000 000:(365,25·24·600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38%. Теоретически значение КПД может варьироваться от 0 до 100%, но практически он располагается в пределах от 10 до 30%. В Украине, где небольшой ветер на выбранных площадках государственных ветроэлектростанций, и устанавливают устаревшие ветряки модели USW 56-100, КИУМ составляет около 7%%.
Очень важным фактором, влияющим на производительность ветряка, является его месторасположение. Как описывалось выше, скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому большинство ветряков имеют высокие башни. Чем выше ветрогенератор относительно вершин соседних препятствий, тем меньше они заслоняют ветер. Однако, в некоторых случаях влияние препятствий может ощущаться на расстоянии от земли, в пять раз превышающем их высоту. Если препятствие выше всего лишь на половину высоты ветряка, то определить его влияние трудно из-за сложной геометрии взаимодействия с ветром. Ограничения по пределу прочности некоторых материалов, используемых в конструкции башни, ограничили высоту большинства башен (приблизительно до 30 м). На ветростанциях ветряки устанавливаются на расстоянии, равном от 5 до 15 диаметров ротора. Это необходимо для того, чтобы избежать взаимного влияния турбулентности, возникающей на лопастях соседних ветряков.
БОЛЬШИЕ ВЕТРОТУРБИНЫ, ВЭС
Как уже упоминалось, развитие ветряков началось с использования малых машин для ограниченного применения, но, по мере увеличения их размеров, ветряки стали менее привлекательны для использования в частном секторе в виде индивидуального, "домашнего" источника электроэнергии. Соответственно, практически вся выработанная большими ветряками электроэнергия поступает в электросеть. Количество энергии, выработанной большими ветряками, настолько велико, что может превышать мощность местных линий электропередач. В первую очередь, это типично для прибрежных территорий, имеющих хороший ветровой потенциал, но чаще всего не имеющий необходимой энергоструктуры. При этом возникает необходимость строительства новых высоковольтных линий, что, естественно, связанно с дополнительными затратами, и может быть причиной отказа в подключении ветряка к энергосистеме. Поскольку дополнительные затраты экономически нецелесообразны для одиночных установок, появилась устойчивая тенденция к группированию ветряков на определенной территории, и строительству ветроэлектростанций. Энергия, выработанная всеми ветряками, расположенными на ветровой электростанции, объединяется и продается по контракту государству. Начиная с первой половины 80-х годов, большие ветряки стали разрабатываться для ветовых электростанций, строящихся в "ветровых ущельях" Калифорнии.[7]
Большие ветряки, установленные на одной ветроэлектростанции, обычно объединены и формой собственности. В США ветровые электростанции принадлежат частным энергетическим компаниям, а не государству или коммунальным службам. И хотя вначале существовали проблемы с плохо сконструированными агрегатами и чрезмерно алчными продавцами, все же ветровые электростанции стали наиболее эффективным способом производства электроэнергии за счет энергии ветра.
Успех первых офшорных ветровых электростанций, установленных на мелководье в прибрежной зоне, вызвал огромный интерес к использованию ветрового потенциала прибрежных зон, особенно после того, как количество подходящих для ветроэнергетики площадок на суше некоторых стран уменьшилось из-за повсеместной установки "сухопутных" ветряков. В море ветер дует сильнее, а большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. Оба эти фактора имеют огромное значение для дальнейшего крупномасштабного развития офшорной ветроэнергетики. Во-первых, увеличение средней скорости ветра на 10% может привести к возможному приросту выработанной энергии на 30%. Во-вторых, использование континентального шельфа глубиной до 30 м и расстоянием от берега до 30 км предполагает значительные экономические преимущества. В условиях будущего технологического прогресса, например, плавучие ветроэлектростанции или высоковольтные линии передач постоянного тока смогут помочь в освоении глубоководных территорий Средиземноморья и других пригодных для ветроэнергетики участков, расположенных как за пределами Европы, так и на отдаленных морских территориях. В недавно проведенном исследовании в рамках европейской программы по энергетике "без атомной энергии" - JOULE потенциал использования офшорной ветроэнергетики в странах Евросоюза был оценен величиной, в два раза превышающей современное потребление энергии.
В 90-х годах были предприняты первые многообещающие шаги по развитию офшорных технологий и накоплению опыта. Была обоснована возможность создания и развития офшорной ветроэнергетики. Учитывая существующую потребность в экологически чистой энергетике, и принятые некоторыми государствами финансовые стимулы, появление новой технологии было отмечено как значительный вклад в решение проблемы энергообеспечения в Европе. Кроме того, внедрение офшорных технологий имеет меньше ограничений с точки зрения охраны окружающей среды, чем наземных, благодаря наличию огромных подходящих территорий и более мягких требований к шуму. В целом, перспективы офшорной ветроэнергетики оценены весьма положительно. Сегодняшние инвестиции в эту технологию можно рассматривать как подготовку к огромному энергетическому рынку завтрашнего дня. Офшорная ветроэнергетика является особенно обещающей в странах с высокой плотностью населения и, следовательно, испытывающих недостаток в подходящих для ветроэнергетики площадках, расположенных на суше.
Капитальные затраты на строительство ветряков морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на офшорных ветряках существенно выше.
Весной 1998 года 5 демонстрационных проектов по строительству офшорных ветроэлектростанций были реализованы в Дании, Нидерландах и Швеции. Технические характеристики этих станций выглядят следующим образом: использовались ветряки среднего размера, класса 500 кВт; общая установленная мощность ветряков до 5 МВт; глубина воды менее 10 м; достаточно близкое расстояние от берега - от 40 м до 6 км. Стоимость выработанной энергии на пилотных ВЭС значительно превышала показатели традиционных ВЭС, установленных на хорошем, с точки зрения ветроэнергетики, участке. Однако "План работы для больших офшорных ВЭС", существующий в Дании, отмечает, что стоимость энергии, выработанной на офшорных ветроэлектростанциях, конкурентоспособна со стоимостью энергии, выработанной на береговых ветроэлектростанциях, установленных на среднестатистических площадках. Более того, стоимость энергии, выработанной за счет ветра, благодаря дотациям со стороны государства, близка или находится в диапазоне цен на энергию, выработанную за счет других источников энергии.[3;6]
Первая в мире офшорная ветростанция находится к северу от острова Лолленд (южная часть Дании). Ветроэлектростанция Виндеби, построенная в 1991 году коммунальными службами SEAS недалеко от Балтийского побережья Дании, состоит из одиннадцати ветряков мощностью 450 кВт каждая. Они установлены на расстоянии от 1,5 до 3 км к северу от береговой линии острова Лолленд, поблизости от населенного пункта Виндеби. Ветряки были спроектированы так, чтобы высоковольтные трансформаторы находились непосредственно в башнях, а входные двери располагались выше, чем обычно. На станции установлены также две анемометрические мачты для изучения ветровых условий, в частности, турбулентности. Проект был выполнен безупречно. Несмотря на то, что производство электроэнергии несколько уменьшено из-за существующего препятствия для потока ветра со стороны острова Лолленд, все же оно превышает на 20% показатели аналогичных береговых станций.
Офшорная ветроэлектростанция в Дании (Vindeby)
Вторая в мире офшорная ветроэлектростанция расположена также в Дании, между полуостровом Ютландия и маленьким островом Туна. Офшорная ветроэлектростанция Туна Кноб в Каттегатском море, построенная в 1995 году коммунальными службами Msdtkraft, расположена в районе, где глубина составляет 3-5 м. Эта территория имеет большую экологическую ценность как район обитания множества птиц и как живописная часть прибрежной ландшафтной зоны. Кроме того, во время планирования ветроэлектростанции было выполнено тщательное археологическое исследование участка. ВЭС состоит из десяти 500 кВт горизонтально-осевых ветряко с регулируемым наклоном лопастей. Ротор каждой машины имеет диаметр 39 м, состоит из 3 лопастей и является наветренным. Турбины установлены на специально разработанных бетонных фундаментах с кессонами. Ветряки подсоединены к центральной энергосистеме Ютландии 6-километровым подводным кабелем. Работа каждого ветрогенератора контролируется дистанционно из центра управления, расположенного в Хасле. Система контроля постоянно собирает все необходимые данные, которые передаются по системе радиосвязи от каждого датчика каждой турбины на компьютеры в Хасле. Согласно обычной программе по обслуживанию и ремонту ветроэлектростанций, проведение регламентных работ непосредственно на ВЭС необходимо лишь 2 раза в год.
Ветроэлектроустановки ВЭУ были специально разработаны для работы в морских условиях. Для замены основных компонентов, например, таких как генераторы, не прибегая к помощи плавучих кранов, каждая оборудована электрическим подъемным краном. Коробки передач также были модернизированы, что позволило на 10% увеличить частоту вращения по сравнению с турбинами традиционных ветряков. В результате производство электроэнергии увеличилось приблизительно на 5%. Подобная модернизация осуществима в условиях морского пространства, так как для ветроэлектростанции, которая находится в 3 км от острова Туна и в 6 км от полуострова Ютландия, не существует особых проблем, связанных с распространением шума. Результаты работы ветроэлектростанции оказались отличными: выработка энергии оказалась выше расчетной. Так, на ноябрь 1995 года ВЭС выработала 1,3 ГВт·ч электроэнергии, что на 40% превысило предполагаемую величину. Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии оценивается на уровне 0. 49 датских крон (около 0.07 центов США) при годовой производительности в 15 ГВт·ч. Затраты на строительство ветроэлектростанции Туна Кноб оценены в 78 млн. датских крон (около 12 млн. евро).
Немаловажным фактором, почему коммунальные предприятия заказывают строительство ветроэлектростанций, является туризм и соответствующий доход от "заметной издалека" энергетике.
Уровень шума от работы офшорной ветроэлектростанции на ближайшем к станции острове Туна составляет 15 децибел (тише, чем человеческий шепот), на территории Ютландии шума не слышно совсем.
Малые ветряки могут быть подсоединены к центральной энергосистеме или использоваться автономно, т.е. без подсоединения к общей сети. Если ветряки производит больше электроэнергии, чем необходимо для данного хозяйства, избыток может быть продан в центральную сеть, причем, благодаря современным технологиям, переключение происходит автоматически. В Украине действует соответствующий закон про зеленый тариф. Сумма, вырученная от проданной электроэнергии ветряком не скоро вернет инвестиции на оборудование, а также стоимость регулярной экспертизы соответствия электроэнергии нормативам, соблюдение Правил технической эксплуатации станций и сетей, процедуры подключения и т.д.
Автономные ветряки идеально подходят для домов, ферм или общинных хозяйств, находящихся в удалении от высоковольтных линий. При соблюдении определенных условий может быть использована любая модель ветряка.
Малые ветряки, обеспечивающие электроэнергией домашнее хозяйство или работу водяных насосов - наиболее интересные примеры использования энергии ветра на отдаленных территориях. Подобные ветроустановки представляют особый интерес для развивающихся стран, где миллионы сельских хозяйств еще долго не будут присоединены к единой энергосети, продолжая использовать для освещения свечи или керосиновые лампы, а радио или другие электробытовые приборы будут работать лишь на батареях. Мощность ветряка, используемых для частного хозяйства, варьируется от нескольких Вт до нескольких тысяч Вт, и они могут использоваться в экономном режиме в зависимости от количества потребляемой энергии.[3;5]
В областях, где средняя годовая скорость ветра более 5 м/сек, можно использовать простые етряки с выработкой энергии от 100 до 500 Вт. Этого количества электроэнергии достаточно для подзарядки аккумуляторов и обеспечения электропотребления частного дома африканского туземца. При выборе ветряка семья обычно уделяет большое внимание вопросу, связанному с количеством вырабатываемой электроэнергии и количеством услуг, получаемых от работы ветряка (освещение, обеспечение работы радио, телевизора и других бытовых приборов). Однако, высокая стоимость готовой ветросистемы, составляющая от нескольких сотен до тысячи долларов США, являлась препятствием для многих семей в развивающихся странах.
Использование малых ветряков часто имеет ряд социально-экономических преимуществ перед использованием дизельных генераторов или расширением существующей энергосистемы. Ветросистема меньше по размеру, она представляет собой единый модуль и необходимо меньше времени на ее установку, чем на работы по расширению существующей энергосистемы. Во многих странах продление высоковольтной линии передач на расстояние в 1 км будет стоить дороже, чем малая ветроэлектроустановка ВЭУ небольшой установленной мощности. С другой стороны, по сравнению с дизельными генераторами первоначальная стоимость ветряка выше, но с точки зрения пользователей они намного лучше в работе. Некоторые агентства с благотворительной целью поставляют дизельные генераторы в страны третьего мира бесплатно, но затраты, связанные с их эксплуатацией (топливо, обслуживание, ремонт, запчасти) ложатся на плечи местного населения. Естественно, что для решения этих проблем необходима твердая валюта, а ее отсутствие вызывает резкое ограничение по использованию генераторов и сроку их службы. Многим странам приходится импортировать ископаемое топливо, и потребность в дизельном топливе увеличивает нагрузку на импорт. В подобных случаях малые ветряки могли бы быть лучшей альтернативой, но и ВЕУ требуют дорогих комплектующих, запчастей и ремонта.
Экономические расчеты для малых ветряков показывают их конкурентоспособность, особенно это справедливо для ветротурбин мощностью более 250 Вт. На территории, где средняя скорость ветра превышает 4 м/сек, установка ветряка для ежедневной выработки электроэнергии до 1 кВт·ч будет дешевле, чем использование дизельного генератора, расширение энергосети или установка фотоэлектрических систем. Подобные ветровые показатели характерны для большинства развивающихся стран. При необходимости более высокой ежедневной выработки энергии "экономика" ветроэнергетики становится еще лучше. Например, ветряк мощностью 10 кВт уже при скорости ветра в 3-3,2 м/сек становиться рентабельной. Перед установкой ветряка необходимо убедится в наличии ветра для ветряка.
На территории Монголии, например, действуют 50 тысяч малых ВЭУ. Подобный успех стал возможен благодаря благоприятным ветровым условиям и последовательной маркетинговой политике. Минимальная ежемесячная скорость ветра более 5 м/сек, существующая в течение года на обширных степных территориях, является залогом бесперебойного обеспечения кочевников электроэнергией. Использование электрического освещения, радио и телевещания представляют собой те немногочисленные современные удобства, которые доступны людям, проживающим в этих отдаленных местах. Несколько частных компаний, конкурируя друг с другом, разработали дешевые и доступные модели ветряков. Местные власти субсидируют до 50% стоимости оборудования.
Ветросистемы, применяемые в отдаленной или сельской местности, по существу имеют те же компоненты, что и фотоэлектрические солнечные батареи ФЭБ. Большинство моделей подобных ветряков разработано для зарядки аккумуляторов, поэтому они снабжены регулятором для предотвращения перегрузки. Регулятор специально разрабатывается под каждую модель ветряка. Регуляторы, работающие с солнечными батареями, не подходят для ветряков, так как они не предназначены для работы с напряжением переменного тока, что характерно для ветряков.
Малые ветряки обычно состоят из лопастей, генератора переменного тока, регулятора и электронной системы контроля. Лопасти обычно производят из углеродного композитного волокна, которое "скручивается", когда турбина выходит на режим номинальной мощности. Благодаря этому эффекту "скручивания" волокна изменяется форма лопасти, что в свою очередь действует как тормоз для лопасти, останавливая ее. Это смягчает работу генератора переменного тока, предотвращая повреждения, которые могут быть из-за сильного ветра. [2]
Некоторые модели малых ветроэлектроустановок ВЭУ не имеют тормозов, и во время сильного ветра они могут менять ориентацию относительно ветра
Генератор переменного тока разработан таким образом, чтобы максимально использовать энергию ветра. Он снабжен постоянными магнитами и обычно не имеет щеток, что повышает его эффективность и удлиняет срок действия без специального обслуживания.
Электронная система контроля поддерживает нужную нагрузку на генераторе переменного тока, предотвращая, таким образом, превышение скорости, независимо от состояния батареи. Во время зарядки батареи регулятор периодически "проверяет" линию, следя за потерями напряжения и контролируя состояние батареи. В момент, когда батарея полностью зарядилась, регулятор "отключает" заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время, поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения.
16.1.Использование малых ветряков
Как уже было сказано ранее, ветроэнергетика является экономически выгодной альтернативой дизельным генераторам для жителей отдаленных от электросети областей. В частности, малые ветряки в основном используются сельскими жителями для таких целей:
16.2.Подъём воды
Энергия ветра всегда широко использовалась человечеством для подъема воды. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских неэлектрифицированных районах. Они используются фермерами в первую очередь для обеспечения питьевой водой, а также водой, необходимой для хозяйственных нужд. Водяные насосы, работающие за счет ветра, широко используются жителями развивающихся стран, у которых интерес к этой технологии очень высок из-за важности обеспечения водой сельскохозяйственных районов, а также благодаря простоте в обслуживании.
В редких случаях можно предположить, что ветряк будет обеспечивать обеспечивать все 100% необходимой электроэнергии. Как правило, ветряк применяются в комбинации с другими источниками энергии, имеющимися в наличии в каждом отдельном случае.
Это означает, что для обеспечения водой, как питьевой, так и хозяйственной для ирригационных или дренажных работ, необходимо установить подходящую комбинацию различных насосных систем, а также систему хранения воды. При необходимости ежедневного подъема воды в количестве до 10 м3 системы ручных (или ножных) насосов, лебедок, а иногда и насосы, работающие за счет энергии Солнца, являются прекрасным дополнением для насоса, работающего за счет энергии ветра. Но, если ежедневная потребность в воде увеличивается, дизельные или электрические насосы становятся более конкурентоспособными.
Вопрос выбора правильной комбинации насосных систем с точки зрения экономики и местных условий зависит от разнообразия физических, социально-экономических и социально-культурных условий, характерных для данной местности. Это имеют большое значение при планировании водоснабжения сельских районов. Причины неудачно проведенных проектов по внедрению водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, заключаются в несоблюдении одного или большего количества этих условий или предпосылок.
Так, например, комбинация ветрового и ручного насосов может быть правильным решением для снабжения водой населения при условии, что в этом районе ветровой потенциал в течение года достаточен для работы ветряка. Если необходима небольшая ирригационная система, то небольшой передвижной дизельный насос, которым могут пользоваться несколько фермеров, является наиболее удобным дополнением к ветряку.
Еще один фактор, влияющий на широкомасштабное внедрение ветровых насосных установок - это финансовая и техническая возможность потенциальных потребителей, как, впрочем, и наличие маркетинговых и сервисных служб на конкретном рынке.
Сейчас на рынке существуют несколько производителей ветровых насосных установок. Эти системы предназначены для подъема воды при скорости ветра 2-4 м/сек из скважин глубиной до 1000 метров. Типичная ветровая насосная установка, имеющая 3-х метровый ротор, может поднять до 2000 литров воды в час с глубины до 10 м при скорости ветра, равной 3 м/сек. Ветряк с 7-метровым ротором может "поднять" до 8000 литров воды в час при тех же условиях. Подобные агрегаты можно использовать для ирригации во время работ по восстановлению почвы или для водоснабжения отдаленных районов. Ветряки легко устанавливаются и просты в обслуживании. [7]
Использование энергии ветра для ирригационных целей кажется проблематичным, так как потребность в воде и наличие необходимых ветровых условий подвержены сильным изменениям на протяжении года. Хороший и, самое главное, постоянный ветровой потенциал необходим для того, чтобы использование ветряков в ирригационных работах было целесообразным. В целом средняя годовая скорость ветра, равная 4 м/сек, является необходимой предпосылкой для того, чтобы использование ветровой насосной установки в ирригационных работах было рентабельно.
Типовой проект по использованию ветровой насосной установки для ирригации был реализован в Индонезии. Сезон дождей в этой области короткий, и традиционно фермеры собирают один урожай риса в году. Во время сухого сезона, который длится около 75% времени, рисовые плантации используются к качестве пастбищ для крупного рогатого скота. Многие территории обладают значительными грунтовыми водными ресурсами, которые можно использовать для ирригации земли. В большинстве случаев для подъема воды используются маленькие керосиновые насосы мощностью 5 лошадиных сил. Эти насосы недороги, а затраты на топливо частично субсидируются правительством. Однако срок их службы составляет всего несколько лет и работают они с малой эффективностью, так что общие затраты за весь период их работы весьма высоки. Первоначальная стоимость малых ВЭУ выше, но общие затраты по их эксплуатации в течение всего срока службы достаточно низкие. Проект в Оесао, где грунтовые воды находятся на глубине всего 2-5 м, основан на применении ВЭУ, приводящей в движение центробежный насос, установленный на поверхности земли. Насос работает от переменного тока, а его скорость изменяется в соответствии с изменением скорости ротора ветряной турбины. Максимальная нагрузка - 3 л/сек. Система не требует топлива и регулярного обслуживания. Керосиновый насос используется в виде запасного. Система в Оесао была установлена в 1992 году в виде экспериментального демонстрационного проекта. С тех пор в Индонезии было установлено еще 15 подобных систем. В стране планируется установка большого количества малых ВЭУ для ирригационных работ.[4]
Ветер является превосходным источником энергии для телекоммуникационных объектов, так как высота и расположение площадок, подходящих для установки антенн, также подходят и для ветроустановок. Но ветряки, которые используются в подобных местах, должны быть особенно прочными из-за суровых климатических условий в горах.
Весьма удобно использовать малые ветрогенераторы для зарядки аккумуляторов и их использования для освещения и работы бытовой техники. Хранение выработанной с помощью ветра электроэнергии в аккумуляторах дает возможность домовладельцу использовать эту энергию тогда, когда это необходимо. Многие модели малых ветряков дают напряжение от 14 до 28 В. Некоторые модели вырабатывают более высокое напряжение. Напряжение в 12-24В может использоваться непосредственно для приборов постоянного тока или инвертироваться в 220В переменного тока. Для питания стандартных бытовых приборов лучше вначале зарядить аккумулятор, чтобы избежать нагрузки на ветряк, так как при низкой скорости ветра может остановиться ротор.
Если существует потребность в горячей воде, то ее можно нагреть при помощи специального нагревателя, работающего на электроэнергии, выработанной за счет энергии ветра. Нагреватель обеспечивает стандартный резервуар горячей водой. Хранить электроэнергию в аккумуляторе дороже, чем получить горячую воду. Простейшая система для нагрева воды включает в себя термостат, предотвращающий закипание воды. Нагреватель должен соответствовать параметрам ветряка: если используется 1 кВт энергии, то нагреватель также должен быть мощностью в 1 кВт.
Ветер и грунтовой тепловой насос могут работать при условии использования аккумуляторных батарей, и обеспечения высокого качества электроэнергии на входе в тепловой насос. Компрессоры тепловых насосов чувствительны к качеству электроэнергии. Зимой существуют наибольшие ветра, и необходимо наибольшее количество тепла для отопления. Соединение ветряка с тепловым насосом может дать дорогую, но полностью автономную систему электро- теплоснабжения объекта.
Ветер и солнце могут отлично дополнять друг друга: зимой, когда часто дует ветер, комбинированные системы "ветер-солнце" могут, например, отапливать помещения, а летом, когда в избытке солнечной энергии - нагревать воду. Подобные гибридные системы особенно привлекательны для автономного электроснабжения. Эти системы представляют собой самообеспечивающие станции, не присоединенные к единой энергосистеме. Производительность фотоэлектрической батареи достаточно высокая летом и относительно низкая зимой. Это означает, что для годового энергообеспечения работа автономной солнечной батареи будет характеризоваться перепроизводством летом, и к тому же необходимо организовать хранение выработанной энергии. Однако оба эти решения являются очень дорогостоящими. В свою очередь, обеспечение электроэнергией, выработанной за счет энергии ветра, в летнее время является проблематичным из-за частых безветренных дней. Поэтому преимущества гибридной системы "ветер-солнце" становится очевидным.[6]
На существенный вопрос о процентном соотношении между мощностными характеристиками ветряка и солнечной батареи в комбинированной системе должен ответить разработчик данного объекта. Естественно, что при выборе многое зависит от необходимого годового объема электроэнергии и существующих местных климатических условий.
Малые ветряки являются привлекательной альтернативой или дополнением для людей, у которых автономное энергопотребление, необходимое для бизнеса или дома, превышает 100-200 Вт. В отличие от фотоэлектрических систем, у которых, в основном, себестоимость электроэнергии не зависит от площади фотоэлектрических батарей (ФЭБ), себестоимость электроэнергии, выработанной за счет ветра, уменьшается пропорционально увеличению размера установки. Например, 1 Вт установленной мощности 50 Вт-ной ВЭУ будет стоить около 8 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт ФЭБ - 5 долларов США. Поэтому, при малых потребностях в электричестве, при прочих равных условиях фотоэлектричество обойдется дешевле. Но с увеличением размеров ВЭУ понижается стоимость 1 Вт установленной мощности: для ВЭУ мощностью 300 Вт 1 Вт мощности будет стоить до 2,5 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт мощности ФЭБ 300 Вт будет по-прежнему стоить 5 долларов США. Для ВЭУ установленной мощности 1500 Вт удельная стоимость понизится до 2 долларов США за 1 Вт, а для ВЭУ установленной мощности 10 000 Вт стоимость (без учета электроники) будет 1,50 доллара США за 1 Вт. Стоимость систем управления и контроля для ФЭБ по существу такая же, как и для ВЭУ. Стоимость электропроводки для ФЭБ выше, чем для ВЭУ.[4;6]
Заключение
Ветрогенераторы могут быть полезными в районах Крайнего Севера /например - на льдинах у зимовщиков 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.