Ветроэнергетика

Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1966 г. до 12000 МВт в 1999 г., прогноз на 2012 г. - ~36000 МВт. Страны-лидеры: Германия - 4444, США - 1819, Дания – 1752, Испания – 1539, Индия - 1100 МВт. Оборот ветроэнергетической индустрии в мире в 2004 г. составил 1,9 млрд долл. и увеличился по сравнению с предыдущим годом на 32 %.

Приоритет как в развитии теоретических исследований ветроэнергетики, так и в создании проектов ветроэнергетических станций принадлежит нашей стране.

Еще в 1931 г. была сооружена в Крыму самая крупная в мире ветровая электрическая станция (ВЭС) мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 г. и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии на ВЭС превышала 270 МВт∙ч. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

Особенно широко в целях энергообеспечения индивидуальных объектов ветродвигатели в нашей стране применялись в период 1950-1965 гг., когда их производство достигло 8-9 тыс. единиц в год. Снижение потребности в ветродвигателях и прекращение их серийного производства в дальнейшем связало с широким развертыванием электрификации сельского хозяйства и подключением сельскохозяйственных объектов к электрическим сетям.

Сфера экономически целесообразного применения ветроустановок в современных условиях ограничивается в основном районами имеющими децентрализованное энергоснабжение благоприятные ветровые условия и возможность эксплуатации ветроустановок в течение большей части года.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Каспийского моря, нижней и средней Волги, на побережье Охотского, Баренцева. Черного и Азовского морей и составляют почти 5 млн км². Валовой ветровой потенциал оценивается в 80∙10¹⁵кВт∙ч/г., технический в 6,2∙10¹⁵ кВт∙ч/г., экономический - в 31∙10¹² кВт∙ч/г. При этом длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2000 до 5000 ч в год.

Акционерное общество «Нетраэл» с привлечением ряда организаций разработал «Атлас ветропотенциала России» с программным обеспечением расчета ветропотенциала и выработки электроэнергии для любой намечаемой строительной площадки и любого ветроэнергетического оборудования.

Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, примерно по 16% - в Западной и Восточной Сибири, 14 % - в Северном экономическом районе и менее чем по 5% - в остальных районах.

Наиболее перспективны для размещения ветроэнергетических установок являются побережья морей и участки их шельфов. На шельфах морей удельная мощность ветрового потока достигает 1000...1500Вт/м², а на побережьях - 500…1000Вт/м², в то время как на удалении от побережий и в глубинных районах удельная мощность ветрового потока составляет 100...500 Вт/м².

Кинетическую энергию Э_кин (Дж) воздушного потока со средней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение F (м² ), перпендикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитывают по формуле:

Э_кин=mv²/2 (1)

Величину m определяет по формуле:

M=pv (2)

где p – плотность воздуха, кг/м³.

При расчетах в качестве р часто принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ соответствующее нормальным климатическим условиям: t=15˚C,р=760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в (8.1) в качестве m принять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т. е.

N=0,5pv³F. (3)

В ветроэнергетике обычно используют рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже приведены значения для указанного рабочего диапазона скоростей ветра:

v, м/с………….. 2 3 4 5 10 14 18 20 23 25

Nуд, Вт/м²……4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578

Ветроэнергетические установки (ВЭУ), классифицируют по следующим признакам:

• мощности - малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

• числу лопастей рабочего колеса - одно-, двух-, трех- и многолопастные;

• отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока - с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 1, а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис.1,б).

В мире и в России в настоящее время наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие конструктивные узлы: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Конструкция башни чаще имеет трубообразную форму, реже - решетчатую, на ней в гондоле размещают основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ (рис. 1, в), в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра: v_p^min – для 0≤v≤v_p^min мощность ВЭУ равна нулю; v_p^N - расчетная скорость ветра по мощности, для v_p^min <v≤ v_p^N мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора; v_p^max для v>v_p^max мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скоростей ветра.

Рис. 1. Современная ВЭУ с горизонтальной (а) и с вертикальной (б) осью вращения (1 - рабочее колесо; 2 - гондола; 3 - башня; 4 - фундамент); а также типовая конструкция (в) (1 - лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3 - втулка; 4 - дисковый тормоз; 5 - мультипликатор; 6 - гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10 - датчик системы поворота)

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v_p^min до v_p^N полезную мощность ВЭУ N_ВЭУ (кВт) для заданной скорости ветра v (м/с) на высоте башни H_б (м) и диаметре ротора ВЭУ D₁ (м) рассчитывают по формуле

N_ВЭУ=N_удF_ВЭУη_pη_r10^-3 , (5)

где N_уд (Вт/м²) определяют по(8.4); F_ВЭУ (м²) - отметаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, вычисляют по формуле

F_ВЭУ=πD₁² / 4 (6)

η_p - КПД ротора (порядка 0,9), отн. ед.; η_r - КПД генератора (порядка 0,95), отн. ед.

После подстановки всех указанных значений в (8.5) получаем для ориентировочных расчетов:

N_ВЭУ = 1,85 D₁² v ³ (7)

Для малых ВЭУ v_p^min находится обычно в пределах 2,5...4 м/с, а v_p^N – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4...5 м/с и 12…15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Турбины в составе ветровых электростанций (ВЭС) нужно располагать на расстоянии не менее пяти диаметров ротора одна от другой. Если ВЭУ располагают в ряд перпендикулярно направлению доминирующих ветров, то расстояние между ними может быть сокращено до четырех диаметров ротора. Системы управления современных ВЭС - микропроцессоры, осуществляющие мониторинг всех функций ВЭУ с возможностью дистанционного контроля.

Интенсификация по вовлечению энергии ветра в ТЭБ России возобновилась в 1981 г. и финансировалась из госбюджета. В результате этих работ создана экспериментальная база нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в Дагестане, начато и ведется строительство Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт, продолжается строительство Заполярной ВЭС мощностью 2,5 МВт в условиях вечной мерзлоты (табл. 8.2). Созданы и испытаны сетевые ВЭУ мощностью 200 и 250 кВт, опытный образец ВЭУ мощностью 1000 кВт, начато производство сетевых ВЭУ мощностью 1000 кВт улучшенной конструкции.

Таблица 2. Технико-экономические показатели сетевых ВЭС в России

Наименование ВЭС	Установленная мощность, тыс. кВт	Годовая выработка электроэнергии, млн кВт∙ч	Общие капитальные затраты/на установленный 1 кВт, млн долл.	Себестоимость электроэнергии цент/(кВт∙ч)	Среднесистемный тариф, цент/(кВт∙ч)
Калмыцкая ВЭС	22,0	53,0	39,5/0,0018	4,52	6,5
Морская ВЭС (I очередь)	8,0	17,6	12,5/0,0016	5,5	4,6
Ленинградская ВЭС	3,0	6,0	6,6/0,0022	4,75	5,3
Валаамская ВЭС	5,0	11,4	11,1/0,0022	4,2	4,6
Магаданская ВЭС	50,0	127,0	125,0/0,0025	9,7	4,2
Сахалинская ВЭС	5,0	10,0	10,2/0,0020	8,9	12,8
Радаевская ВЭС	6,0	17,6	12,4/0,0021	4,6	4,3
Камчатская ВДЭС	16,0	64,0	16,9/0,0011	10,1	17,1
Воркутинская ВДЭС	2,4	2,5	2,8/0,0012	4,8	4,63
Таймырская ВДЭС	3,0	15,4	9,3/0,0031	8,6	13,8
Ямальская ВДЭС	3,0	18,6	9,3/0,0031	6,7	13,8

Примечание. ВДЭС – ветродизельная электростанция.

В системе АО «Ростовэнерго» действует ВЭС установленной мощностью 300 кВт, состоящая из десяти ВЭУ фирмы Husumer Sciffswerft HSW-30 мощностью по 30 кВт каждая.

На Куликовской ВЭС (Калиниградская обл.) введена в действие ВЭУ 600 кВт датского производства. Решаются вопросы строительства ВЭС мощностью 5 МВт с участием датских фирм.

Энергоснабжение практически всех объектов на указанных территориях традиционно осуществляется с помощью дизельных или газотурбинных электростанций, как правило, с использованием привозного топлива. Отопление и горячее водоснабжение также осуществляется либо путем сжигания привозного органического топлива в централизованных котельных, либо с помощью индивидуального печного отопления с использованием местных лесных ресурсов. Применение гибридных энергосистем в комплексе с ВЭУ позволит по меньшей мере вдвое сократить завоз топлива, перейти частично или полностью на электроотопление и электронагрев воды, резко сократить лесосводку, улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу и сохранения лесных угодий.

При решении вопроса о целесообразности строительства гибридных электростанций в указанных регионах следует иметь в виду, что стоимость электроэнергии, производимой для изолированного потребителя, определяется, в основном стоимостью топлива, которая для обеспечения экономической эффективности ветроэнергетики не должна быть меньше 30...35 центов за килограмм, а стоимость электроэнергии не выше 10 центов за 1 кВт∙ч.

Эффективное и широкое использование энергии ветра России может быть достигнуто при условии, что стоимость сетевых ВЭУ не будет превышать 500…600 долл. за установленный 1 кВт, суммарные капитальные затраты на строительство ВЭС – 800…1000 долл. за установленный 1 кВт, количество часов использования установленной мощности - не менее 2500 ч.

Общая мощность ВЭС, по которым выполнены проектные или предпроектные проработки, превышает 200 МВт.

Широкое развитие ветроэнергетики в России позволило бы использовать экономический потенциал, эквивалентный 13...15 млн т у. т. в год, а также существенно сократить вредные выбросы СО₂ в атмосферу, что весьма важно, в частности, по условиям конвенции со скандинавскими странами об охране окружающей среды.

Системная ветроэнергетика в мире представляет собой направление, с которым прежде всего связывается крупномасштабное использование энергии ветра, значимое для ТЭБ стран. При этом предполагается использование ВЭУ мощностью более 100 кВт, главным образом, мощностью в несколько мегаватт, являющейся предельной по современным понятиям.

В настоящее время ВЭУ мощностью 100 кВт и выше построены в США, Канаде, ФРГ, Дании, Швеции, Нидерландах, Великобритании, Франции. ВЭУ мегаваттного класса построены в США, Швеции и ФРГ, создаются в Великобритании и Канаде. Однако мощные ВЭУ не прошли опытной эксплуатации и еще неясно, готова ли современная наука и техника к созданию надежных и долговечных ВЭУ мощностью в несколько мегаватт с ветроколесами диаметром около 100 м. Параллельно с созданием и испытанием опытных ВЭУ выполняется большой объем работ по поиску более рациональных схем мощных ВЭУ, их узлов и систем, разработке ВЭУ новых типов. Активные исследования проводятся по использованию ВЭС в энергосистемах.