Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

Глава 7. ЭКОЛОГИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

7.1. Развитие ветровой энергетики

Энергия ветра – «косвенный» (непрямой) вид солнечной энергии, в отличие от рассмотренной в предыдущих главах непосредственной формы солнечной энергии. Излучение Солнца вызывает температурные изменения воздуха вблизи поверхности земли, которые являются первоосновой ветров.

Сферическая форма поверхности и вращение Земли, сезонные и региональные флуктуации интенсивности солнечного излучения создают пространственные разности атмосферного давления. Указанные факторы и приводят к движению воздуха – ветру. Перегрев воздуха на экваторе создаёт компенсационные потоки между экватором и полюсами. Кроме этих мощных компенсационных потоков воздуха имеются локальные воздушные потоки, возникающие вблизи земной поверхности из-за областей повышенного и пониженного давления. Кориолисова сила отклоняет воздушные потоки. Из-за вращения Земли воздушные массы в Северном полушарии закручиваются вправо, а в Южном – влево, что, в конечном итоге, приводит к вращению масс воздуха вокруг областей низкого давления.

Ветровые ресурсы особенно велики на побережьях, так как ветер может беспрепятственно двигаться через гладкие поверхности морей. Кроме того, в прибрежных областях разница температур воды и земли вызывает локальные компенсационные потоки воздуха. Днём солнце нагревает землю быстрее, чем воду, и ветры дуют на сушу, проникая на глубину до 50 км. Ночью земля охлаждается быстрее моря, и ветры дуют в противоположном направлении.

В настоящее время карты ветров и программы для оценки его скорости созданы в большинстве развитых стран мира. Для прибрежных территорий характерны ветры со средней скоростью более 6 м/с, тогда как на континентальных участках суши она обычно менее 3 м/с. С точки зрения ветровых условий благоприятны также горные области.

201

Ветер, обладающий кинетической энергией, можно использовать в технических системах для получения других видов энергии. Плотность потока энергии ветра может намного превосходить плотность потока солнечного излучения: 10 кВт/м2 во время сильного (жёсткого) шторма и свыше 25 во время урагана, тогда как плотность потока энергии солнечного излучения на поверхности земли, в основном, не превышает 1 кВт/м2. В то же время при слабом ветре (5 м/с) плотность потока энергии ветра составляет всего лишь 0,075 кВт/м2 [1].

История использования ветровой энергии насчитывает много столетий. С древнейших времён человек использовал энергию ветра в судоходстве, для замены своей мускульной силы. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. Уже 3000 лет назад энергия ветра использовалась для ирригации. В Египте (около г. Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во II–I вв. до н.э. В VII в. н.э. в Персии и Афганистане строили ветряные мельницы уже более совершенной конструкции — крыльчатые. Несколько позднее, по-видимому, в VIII–IX вв., ветряные мельницы появились на Руси и в ряде европейских стран, а начиная с XII в. энергия ветра стала широко применяться в Западной Европе. В XIII в. ветродвигатели получили широкое распространение в европейских странах, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. В Голландии в XVIII в. в дренажных системах использовались уже сотни тысяч таких ветряных «мельниц». Начиная с XIX в. многочисленные ветровые установки стали использоваться в Северной Америке для перекачки воды. В установках для паровых двигателей энергия ветра применялась с начала XX в., а со второй его половины вошла в строй ветровая электроэнергетика. После нефтяного кризиса 1970 г. ветровые установки начали играть заметную роль в мировом энергетическом балансе.

Современные ветровые установки практически полностью предназначены для выработки электроэнергии. Начиная с 90-х годов прошлого столетия лидерство в развитии технологий использования энергии ветра захватила Германия, где вклад ветроэнергетики в производство электроэнергии превысил 14 %. Мощность отдельных ветровых генераторов достигла 6 МВт, а их количество

202

сейчас превышает 20 тыс. (в том числе и на прибрежной территории Северного моря). Дания также стала одним из лидеров развития технологий использования энергии ветра. В этой стране вклад ветроэнергетики в производство электроэнергии достиг 17 % За последние два года США обогнали Германию в развитии ветроэнергетики, став мировым лидером по производству ветровой электроэнергии, хотя её доля в энергетическом балансе страны составляет около 1 %. В табл. 7.1 приведены установленные мощности ветровых станций в различных странах мира на конец 2008 г. [2].

Таблица 7.1 Установленные мощности ветровых электростанций

в различных странах мира

Страна	Мощность, ГВт	Доля в мировом производстве, %
США	25,2	20,8
Германия	23,9	19,8
Испания	16,8	13,9
Китай	12,2	10,1
Индия	9,6	8,0
Италия	3,7	3,1
Франция	3,4	2,8
Великобритания	3,2	2,7
Дания	3,2	2,6
Все страны	104	100

Следует отметить, что широкое применение ветроэнергетики, как и большинства других альтернативных источников энергии, требует дальнейшего значительного увеличения земельных площадей. Ограниченность возможности использования суши для строительства ветровых станций приводит к необходимости использования морских прибрежных территорий. Уже сейчас в Германии более 15 % ветровых турбин расположено в прилегающих морях.

В настоящее время ветроэнергетика – единственный из альтернативных источников энергии, который развивается в относительно крупных масштабах. Можно ожидать, что через 10–20 лет ветроэнергетика начнет давать заметный вклад в мировое производство электроэнергии (сейчас её вклад составляет около 1 %). Во многих странах потенциал использования энергии ветра огромен. Так,

203

Германия может обеспечивать до трети своих потребностей в электроэнергии, а Великобритания – удовлетворять их полностью. В США строятся грандиозные планы по использованию ветроэнергетики, количество генерируемой на ветровых установках электроэнергии сейчас каждый год вырастает на треть, а к 2030 г. должно достигнуть 20 % от общего производства электроэнергии в стране. В Великобритании к 2020 г. планируется ввести в строй ветровые установки общей мощностью 25 ГВт, расположенные, в основном, в прибрежных водах.

7.2. Ветровые ресурсы, ветровые турбины

Классификация скорости и силы ветра производится в соответствии с 12-балльной шкалой Бофорта: от штиля до урагана (более 32,7 м/с). Важным моментом при использовании энергии ветра является относительное распределение ветров по скорости h(υ) . Ес-

ли h(υ) приведено в групповом разбиении, то средняя скорость ветра

		= ∑h(υ) υ.	(7.1)
υ
		i

Для прибрежных территорий характерны ветры со средней скоростью более 6 м/с, тогда как на континентальных участках суши она обычно менее 3 м/с. Данная местность характеризуется не только значением υ, но и распределением h(υ), которое может

быть либо непрерывным по υ, либо с промежуточными скачкообразными изменениями скорости ветра, которая обычно регистрируется на высоте 10 м от земной поверхности. Важность знания распределения скорости ветра во времени объясняется тем, что, как будет показано далее, при расчете мощности ветровой энергии оказывается важным усреднение по υ3, а не по υ.

В настоящее время карты ветров и программы для оценки его скорости созданы в большинстве развитых стран мира. Существуют также многочисленные таблицы и графики частотных распределений скорости ветра по интервалам и их аппроксимации.

Исходя из формулы для кинетической энергии ветра, можно показать, что мощность ветра [1, 2]

P =1 2ρ A υ3,

(7.2)

204

где ρ – плотность воздуха, а A – площадь, охватываемая ветроко-

лесом.

Таким образом, мощность ветрогенератора зависит от охватываемой поверхности ротора (ветроколеса) и пропорциональна квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра (рис. 7.1).

Когда ветровая турбина преобразует энергию ветра в электроэнергию, она замедляет ветер со скорости υ1 до υ2 , при этом масса

воздушного потока до и после турбины постоянна (рис. 7.2). Принимая, что скорость ветра υ на высоте турбины равна полу-

сумме скоростей υ1 и υ2 , получаем формулу для расчета используемой мощности ветра:

PT = 1	4	ρ A (υ1 +υ2 ) (υ12	−υ22 ).	(7.3)

Начальная мощность ветра (мощность набегающего потока) определяется в соответствии с формулой (7.2):

P = 1	2	ρ A υ3.	(7.4)
0		1

Отношение используемой мощности ветра (7.3) к мощности набегающего потока ветра (7.4) называют коэффициентом использования мощности ветра cp , который определяется выражением

	P		(υ1 +υ2 ) (υ12 −υ22 )		υ	2			υ2
cp =	T			=1 2 1+				1−	2	. (7.5)
		=			υ				υ2
	P		2 υ3
	0		1			1			1

Нетрудно заметить, что зависимость cp от величины отношения скоростей υ2 υ1 имеет экстремум при υ2 υ1 =13, равный cp =16/27 ≈ 0,6. В действующих ветровых турбинах теоретическо-

го оптимума не достигается, однако хорошие турбины могут использовать до 40–50 % начальной мощности ветра [1]. В ветровых турбинах используются тормозящие и поднимающие системы, которые и снижают приведенный выше коэффициент cp .

Ветровые турбины могут быть с горизонтальной или вертикальной осью ротора (ветроколеса), при этом имеется большое количество концепций конструирования ротора. В настоящее время большинство ветрогенераторов имеет горизонтальную ось вращения ротора. Как указывалось ранее, сейчас ветрогенераторы имеют мощность до нескольких мегаватт, а в начале 1980-х их мощность

205

не превышала 100 кВт. Примером агрегата мощностью 600 кВт является ветротурбина TW 600, показанная на рис. 7.3.

Основные компоненты ветровой турбины:

•лопасти ротора, втулка ротора, тормозная система;

•электрический генератор с коробкой передач;

•системы измерения скорости ветра и азимутальной ориентировки;

•корпус и башня;

•системы управления, подстанция, система электропроводов. Для турбины, схема которой представлена на рис. 7.3, диаметр

ротора составляет 43 м, а высота втулки – 60 м. Для ветровых турбин мощностью 6 МВт диаметр ротора достигает 114 м, а высота втулки – 95 м. При этом высота башни – 124 м. Стремление увеличивать высоту башни связано с увеличением скорости ветра с ростом высоты подъёма ротора над землёй.

7.3. Влияние ветроэнергетики на природную среду

Прежде всего к достоинствам ветровой энергии следует отнести доступность, повсеместное распространение и неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю. Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника – непостоянство его скорости и, следовательно, энергии во времени.

Наряду с такими позитивными аспектами, связанными с использованием энергии ветра, как отсутствие выбросов парниковых газов и других вредных веществ, загрязняющих окружающую среду, наличие большого возобновляемого ресурса этого источника энергии, следует отметить также и негативные с экологической точки зрения аспекты ветроэнергетики. Рассматривая негативное влияние ветроэнергетики на окружающую среду, можно выделить следующие основные моменты:

206

1.Использование для ветровых турбин значительных территорий, которые могли быть использованы, например, для сельскохозяйственных и животноводческих нужд. Так, ветровая турбина мощностью 1 МВт требует до 15 га земли. Для замены только одной АЭС мощностью 4 ГВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч таких ветровых турбин. Ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» один от другого.

В связи с этим многие ветровые электростанции располагаются

впустынных областях или прибрежных водах, что, в свою очередь, требует прокладки протяженных линий электропередач до потребителей энергии. Следует отметить: расположение ветровых электростанций в пустынных областях приводит к возникновению серьёзной эрозии почв, а станции, расположенные в прибрежных водах, служат помехой для судоходства (рис. 7.4).

2.Изменения качества пейзажа, особенно, если станции располагать в горной местности, на гряде холмов или в море, вблизи побережья с курортными зонами (рис. 7.5).

3.Серьёзные разрушения флоры и фауны, влияние на популяции диких животных (особенно птиц и летучих мышей). Работающие ветродвигатели создают значительный шум, распугивая птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями.

Особо нужно отметить луговые и лесные пожары, возникающие из-за замыканий в электрических кабелях при поворотах турбин к направлению ветра, а также гибель птиц, летучих мышей и насекомых из-за столкновений с ветровыми турбинами, башнями и примыкающими линиями электропередачи.

4.Работа ветровых турбин создает проблемы звуковых и ультразвуковых воздействий на объекты окружающей среды. При близком расположении ветроустановок к жилищам людей у многих жителей проявляется «ветротурбинный синдром» – болезни сердца, звон в ушах, головокружение, приступы паники и мигрени. Генерируемый ветротурбинами инфразвук вызывает вибрации костей, что может сопровождаться вышеназванными проявлениями.

207

5.Электромагнитное воздействие, влияющее на работу телевидения, радарных систем, установок в аэропортах.

6.Башня ветровой турбины должна быть массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Зарегистрированные в последние годы многочисленные обрушения ветровых башен и разрушения турбин часто сопровождаются возгораниями. При проектном сроке работы турбин 20–30 лет, разрушения зачастую происходят через 5 лет.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие страны являются мировыми лидерами в использовании ветроэнергетики?

2.Каков вклад ветроэнергетики в мировое производство электроэнергии?

3.В каких областях земного шара сосредоточены основные ветровые ресурсы и почему?

4.Какие величины являются основными характеристиками ветра с точки зрения его использования в ветровых турбинах?

5.Рассчитайте мощность ветра, если его скорость равна 10 м/с,

аплощадь, охватываемая ветроколесом, – 1000 м2.

6.Определите коэффициент использования мощности ветра, если турбина замедляет его со скорости 9 м/с до скорости 4 м/с.

7.Какова максимальная мощность современного ветрогенера-

тора?

8.Перечислите основные компоненты ветротурбины.

9.Назовите позитивные аспекты, связанные с использованием энергии ветра.

10.Перечислите основные моменты использования ветровых турбин, которые оказывают отрицательное влияние на окружаю-

щую среду.

Список литературы

1.Volker Quaschning. Understanding Renewable Energy Systems, London, Sterling, VA, 2005, 271 p.

2.Ветроэнергетика / Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ. М.: Энерго-

атомиздат, 1982. – 271 с.

3.Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.: Колос, Гелиос, 2008. – 196 с.

208

Глава 8. ЭКОЛОГИЯ БИОТОПЛИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

8.1. Образование и оценка биомассы планеты

Одним из перспективных источников энергии на Земле считается биомасса. «Биомасса» – это термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Она делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную (отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных). Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Этому способствуют такие ее свойства, как большой энергетический потенциал и возобновляемость. А также тот фактор, что она может быть произведена и использована без значительных финансовых затрат, что немаловажно для малоразвитых стран.

Виды биомассы. Все источники биомассы можно разделить на три основные группы.

К первой относятся специально выращиваемые для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания эбенового дерева, эвкалипта, пальмы, гибридного тополя и др. Одними из перспективных энергетических культур являются сладкое сорго, земляная груша, сахарный тростник.

Ко второй группе источников биомассы относятся различные органические остатки и отходы:

•биологические отходы животных (навоз, птичий помет и др.);

•остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки: багасса (жом сахарного тростника), солома ржи и пшеницы, кукурузные кочерыжки, стебли хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовые шелуха и солома и др.;

•отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесная щепа, стружка;

•промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а также других предприятий по переработке пищевых продуктов);

209

• городские отходы (твердые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения: морские водоросли, гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Наряду с океаном, который рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей, водорослей, обитающих на дне водоема и плавающих в стоячей воде, анализируются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот.

Как возможные источники биомассы предлагаются также: гибридный сорго, микроводоросли, пресноводные макрофиты и макроводоросли, маниок (пищевое растение в тропиках).

Важно отметить, что растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Она образуется под действием солнечной энергии при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. Можно сказать, что биомасса – форма запасённой солнечной энергии. При образовании 1 кг сухой биомассы (например, древесины) поглощается около 1,83 кг CO2 и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). В результате содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным.

Кроме того, биомасса как топливо имеет ряд достоинств. Использование биомассы для получения энергии более экологически безопасно, чем, например, угля, из-за низкого содержания серы в биомассе (менее 0,2 % серы и до 5 % золы в сравнении с 2–3 % серы и 10–15 % золы для угля). Зола может быть возвращена обратно в почву, что обеспечивает замкнутость круговорота биогенных элементов. Эмиссия оксидов азота при сжигании биомассы может быть снижена при использовании современных технологий и понижении температуры сжигания. Производство компоста из переработанной биомассы улучшает структуру почвы и снижает загрязнение стоков и подземных вод.

Биомасса также имеет превосходство перед углем благодаря своей более высокой способности к реакции газификации (состав генераторного газа: 18–20 % H2, 18–20 % СО, 2–3 % СН4, 8–10 %

СО2, остальное – азот). В связи с малой мощностью электростанций, использующих в качестве топлива биомассу, к их преимуществам можно отнести также короткий срок проектирования и строительства, повышение надежности энергоснабжения, связанное с его децентрализацией, повышение эффективности использо-

210