В материале собраны ответы на наиболее задаваемые вопросы о ветроэнергетике. А именно рассматриваются вопросы: что собой представляет ветроэнергетика, каким образом и сколько можно отобрать энергии от набегающего ветрового потока, конструкции ветроустановок, а также затрагивется тема ветроэнергетики в России.
Поводом для написания данного материала послужили несколько обсуждений в Интернете, где, с одной стороны наблюдался живейший практический интерес участников ресурсов к теме ветроэнергетики, а с другой многие участники распространяли мифы и демонстрировали бытующие заблуждения относительно ветроэнергетики. В нижеизложенном материале, автор надеется ответить на некоторые, наиболее часто задаваемые вопросы и развеять мифы и заблуждения, сопровождающие ветроэнергетику. Материал рассчитан на широкую аудиторию читателей, имеющих элементарные знания по физике и математике.
Изучив материал, читатель не станет высококлассным специалистом в области ветроэнергетики, однако получит начальные знания в этой области, позволяющие свободно владеть основами ветроэнергетики. Читатель узнает о наиболее крупных ветроэлектрических станциях России и их основных характеристиках. Материал изложен по принципу всё о ветроэнергетике в связи со всем (окружающей средой, потребителем и т. п.)
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Энергия ветрового потока относится к возобновляемым источникам энергии и является производной от энергии солнца.
Ветроэнергетика, в широком понимании является древнейшей спутницей человека. Первые свидетельства об использовании энергии ветрового потока для перемола зерна восходят к 200 году до н.э. Становление современной цивилизации в привычном нам виде тоже происходило с участием ветроэнергетики – парусное судно, которое является частным случаем ветроэнергетической установки позволило освоить весь земной шар.
Не смотря на это, современная ветроэнергетика является одной из самых динамично развивающихся отраслей энергетики. В период с 2000 г. до 2009 г. суммарная мощность всех ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире увеличилось в, приблизительно 6 раз и составила порядка 160 ГВт, а по прогнозам World Wind Energy Association (WWEA) к 2020 году может составить 2000 ГВт. При чём, растут как количество ветроэлектрических станций (ВЭС), так и установленная мощность ВЭУ.
Динамика роста единичной мощности ВЭУ и её габаритов
Ветровой поток как ресурс ветроэнергетики
В глобальном масштабе ветровой поток является движением воздушных масс относительно земли, возникающий в атмосфере под действием разности давлений в различных областях. Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию ветрового потока, т. е. энергию воздушной массы плотностью ρ, кг/м3, имеющей скорость V, м/с:
Зная, что масса 1 м3 воздушного потока, имеющего плотность ρ кг/м3 текущего со скорость V м/с составляет ρ∙V видоизменим формулу:
Так, помня, что плотность воздуха ρ при нормальных условиях 1,225 кг/м3 ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение, площадью 1 м2 обладает энергией ≈ 40 Вт.
Подробнее остановимся на скорости ветрового потока V. Из формулы видно, как сильно значение скорости ветрового потока влияет на мощность (третья степень). На практике это означает, что ошибка в скорости ветрового потока на 10% повлечёт за собой 30% ошибку в мощности, а, следовательно и в выработке энергии. Сюда же добавим непостоянство ветра, давно ставшее притчей во языцех.
Таким образом, важно понимать, что для достоверной оценки потенциальных возможностей применения ветроэнергетики в том или ином месте, необходимо иметь данные ветрового режима в данном месте. Под «местом» здесь можно понимать достаточно большие площади (иногда целые регионы). И если располагать данными о ветровом режиме, собранными на метеостанции, расположенной в нескольких десятках километрах от места, то такие данные можно считать репрезентативными, т. е. достоверными для нашего места.
Ещё одной особенностью ветрового потока, усложняющей определение достоверного значения скорости является его непрерывный и случайный характер. Строго говоря нет никакой возможности точно предсказать какое значение V будет через несколько секунд. Поэтому в ветроэнергетике принято считать, что скорость ветрового потока состоит из двух составляющих – осреднённой и пульсационной. Если в ветроэнергетических расчётах используется скорость ветрового потока V=4 м/c на практике это означает, что реальная скорость ветрового потока в любой момент времени будет колебаться вокруг некоторого значения, близкого к 4 м/c.
И, наконец, если говорить о скорости ветрового потока и месте, то нельзя не отметить, что на значение скорости V будут оказывать существенное влияние местные условия, такие как рельеф, препятствия и «шероховатость» поверхности. Рассматривая ветровой поток в приземном слое (до 200 м над поверхностью земли) как ресурс ветроэнергетики необходимо учитывать, что данные ближайшей метеостанции должны быть применены с учётом местных условий.
Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался строптивый, не постоянный и существенно подверженный «дурному влиянию» местных условий.
И всё-таки ветроэнергетика
Несмотря на вышеописанные сложности с достоверным определением главного ресурса ветроэнергетики – скорости ветрового потока V мировая ветроэнергетика за 10 последних лет в разы увеличила свои мощности.
Это можно объяснить несколькими факторами. С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, что называется «на коленке» посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации. При этом не надо опасаться, что прогнозируемая выработка будет сильно отличаться от реальной, будь проект вашей ВЭС реализован. Ещё и 3D в google earth как это будет выглядеть покажет.
Законодателями в этой области компьютерного моделирования стали программы WAsP и WindPro.
В качестве исходной информации по значениям скорости ветрового потока уже давно нет необходимости (хотя и хорошо бы) иметь многолетние наблюдения за скоростью ветра. Для всех крупных регионов уже давно построены вероятностные характеристики, с большой степенью точности показывающие вероятность присутствия того или иного значения скорости ветрового потока. В мировой практике для этого используется двухпараметрическая зависимость Вейбулла.
Кривая вероятности присутствия скорости ветра по градациям
То есть значение скорости ветрового потока V сопровождается вероятностью её присутствия f(V) и вышеприведённая формула определения удельной мощности ветрового потока принимает вид:
ВЭС являются экологически чистыми станциями. Точнее, надо сказать так: ВЭС оказывают принципиально иной спектр воздействия на окружающую среду, нежели традиционные энергоустановки. Для промышленных масштабов производства электроэнергии необходимо занять большие площади – из расчёта примерно 400 м2 на 1 кВт мощности. Это связано с тем, что для нормальной работы всех ВЭУ в составе ВЭС необходимо выдержать некоторые расстояния как между самими ВЭУ (5÷15 диаметров ветроколеса в зависимости от направленности розы ветров) так и между ВЭУ и крупными местными препятствиями. Однако следует отметить, что непосредственно под ВЭУ в составе ВЭС места нужно исходя из размера подъездных дорог и размера фундамента в плане, т.е. не так много, а площади, непосредственно прилегающие к ВЭУ можно задействовать, например для нужд животноводства (пастбища) или растениеводства.
6-ть ВЭУ 2,5 МВт крупнейшей в северо-западном регионе Дании ВЭС
Ещё одной стороной влияния ВЭС на окружающую среду является визуальное восприятие ВЭУ. Здесь есть как субъективность – на вкус и цвет, как говорится, а есть и объективность – попадая на линию солнце-наблюдатель ВЭУ может существенно раздражать органы зрения мелькающими тенями.
Электромагнитные помехи легко устраняются при учёте определенных норм в ходе проектирования ВЭС. Сильный акустический шум у современных ВЭУ присутствует только в непосредственной близости к работающей ВЭУ. Так в 100 м от работающей ВЭУ 2,0 МВт уровень шума составляет 40Дб. Влияние на фауну (убивают птиц) так же присутствует, но в гораздо меньших масштабах, чем может показаться. Так, под колёсам и на лобовых стёклах автомобилей птиц в мире гибнет на порядки больше чем на лопастях ВЭУ.
И, пожалуй, самой главной причиной активного роста мирового интереса к возобновляющимся источникам энергии в общем и к ветроэнергетике в частности является желание частичного и постепенного замещения мощностей традиционной энергетики, основанной на сжигании углеводородов. Так, например в Дании доля ветроэнергетики в энергосистеме страны составляет ~20%, и там есть регионы, в которых относительный баланс выработанной и потреблённой электроэнергии покрывается за счёт ветроэнергетики.
Конструкции ветроэнергетических установок
Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Оставив в стороне от рассмотрения экзотические конструкции ВК, дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:
1. Использующие подъёмную силу;
2. Использующие силу сопротивления.
К ВЭУ, использующим силу сопротивление X можно отнести, например парус.
ВЭУ использующие подъёмную силу Y преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y) значительно больше скорость ветрового потока V. Но об этом чуть ниже.
Прямоугольник аэродинамических сил действующих на крыло
Они, в свою очередь могут быть классифицированы по:
1. ориентации оси вращения ВК;
2. положению ВК относительно всей конструкции.
Различают ВЭС с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Вертикально осевые ВЭУ обладают рядом достоинств, основным из которых является отсутствие необходимости ориентировать ВК на ветер. Однако минусы данных установок гораздо существеннее: необходим начальный момент страгивания (стартовое внешнее усилие для раскрутки ВК), невозможность использования ветрового потока верхних слоёв (до 100 м), сложный комплекс силовых проблем. Поэтому в мировой ветроэнергетике горизонтальноосевые ВЭУ башенного типа преобладают над вертикальноосевыми в соотношении 98 к 2.
Для дальнейшего понимания “кухни” ВЭУ необходимо ввести два важнейших параметра, относящихся к конструкции ВК: коэффициент использования мощности и быстроходность ВК (коэффициент быстроходности).
Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593. Коэффициент использования мощности часто ошибочно сравнивают с КПД ВК. Это сравнение ошибочно по той простой причине, что ВК, в отличие от, например рабочего колеса паровой турбины использует далеко не весь ветровой поток, приходящийся на его площадь. Часть ветрового потока огибает ВК, в то время как в паровой турбине пару просто некуда деваться. Поэтому, говоря о паровой турбине имеем дело с КПД, а в случае ВК – коэффициенте использования мощности. Таким образом введя понятие коэффициента использований мощности ВК ξ можем рассчитать мощность любой ВЭУ по формуле:
где ξ – коэффициент использования мощности, S – так называемая ометаемая площадь ВК (для горизонтальноосевых ВЭУ – π∙R^2).
Максимальное значение ξ составляет 0,593 для идеального ВК. Для реальных современных ξ лежит в диапазоне 0,38…0,48
Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93
Быстроходность ВК Z определяется как отношение линейной скорости конца лопасти Vл к скорости ветрового потока V.
Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ от быстроходности ВК Ζ: 1 – идеальное ВК; 2,3 и 4 – двух-, трех- и много-лопастные горизонтальноосевые ВК; 5 – ротор Дарье (вертикальноориентированное ВК, использующее подъёмную силу); 6 – ротор Савониуса (вертикальноориентированное ВК, использующее силу сопротивления); 7 – четырехлопастное деревянное ВК мельницы.
Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п. Однако быстроходность всё равно остаётся определяющим понятием для выбора типа ВЭУ.
Теперь, оперируя этими двумя важными параметрами и глядя на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. Взгляните на график. ВК использующие подъёмную силу имеют бОльший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение Z с ξ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение Z с ξ , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком Z может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса.
С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из колодца – вспомните голливудские вестерны, где на заднем плане маячит высоко поднятая на столбах ёмкость с водой, а рядом с ней ветряк – используются многолопастные ВЭУ. При неплохом ξ он имеет крайне низкий Z, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.
Экономика ветроэнергетики
Стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~1000$ (для сравнения в 80-е годы это было ~4000$). Стоимость 1кВт ч электроэнергии, выработанной установки составляет ~0,10$ (для сравнения в те же 80-е это было ~0,40$). Учитывая дороговизну, как самой установки, так и выработанной с её помощью электроэнергии можно сделать совершенно однозначный вывод: без поддержки государства ветроэнергетика в современном её состоянии обречена на коммерческий провал. Это подтверждают все страны, где ветроэнергетика датируется из государственных средств. Это усугубляется ещё и тем, что ни одна электрическая система в здравом уме не захочет брать электроэнергию, выработанную с помощью ВЭС. Дело в том, что ВЭУ вырабатывают некачественную энергию (см. выше рассуждения о частоте тока). Требуется комплекс достаточно серьёзного оборудования для исправления данной ситуации. Глядя на пульт мониторинга, показывающий выработку конкретной ВЭУ диву даёшься тому, что видишь. ВЭУ, подключенная в сеть при нестабильных или низких ветрах не только иногда даёт но и иногда ПОТРЕБЛЯЕТ электроэнергию из энергосистемы для поддержания собственной частоты вращения генератора. Это ад для любой электросистемы. Поэтому в той же Дании опытным путём пришли к выводу, что ветроэнергетика не должна превышать ~20% мощности всей их электросистемы. Выше этой цифры ветроэнергетика становится откровенно вредна для электросистемы страны.
Но даже для датируемой государством ветроэнергетики существует критический для коммерческого внедрения параметра – коэффициент использования установленной мощности (именно на него опирается срок окупаемости ВЭС). Его ещё часто дублируют числом часов использования. Данный параметр показывает какую долю (или сколько часов) от суммарного числа часов в году (8760 ч.) ВЭС будет вырабатывать электроэнергию. Если этот параметр слишком низкий <20% то срок окупаемости такой ВЭС будет измеряться десятилетиями. Для коммерческого успеха ВЭС коэффициент использования установленной мощности должен быть как можно выше. Так, например вышеупомянутая датская ВЭС имеет это параметр близким к 0,56, т. е. более половины количества часов в году она приносит прибыль своему владельцу.
Ветроэнергетика в России
По данным на 2005 год установленная мощность крупных ВЭС в России составляла около 13 МВт. Самой мощной на тот момент считалась ВЭС в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка - в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании. Её суммарная мощность составляет 5,1 МВт.
Табл. 1 Технико-экономические показатели работы ВЭС в 2005 году (по данным ФСГС Росстата)
Обратите внимание на ужасные, с коммерческой точки зрения показатели числа часов использования.
Ещё одна ВЭС, которая обязательно будет построена к саммиту АТЭС 2012 года это Дальневосточная ВЭС мощностью ~36 МВт. Таким образом ДВ ВЭС станет самой крупной у нас в стране. Есть, правда у ООО «Русгидро» планы к 2015 году построить Волгоградскую ВЭС мощность 1 ГВт, но это пока только планы.
Вот некоторые предполагаемые характеристики ДВ ВЭС:
Местонахождение: о. Русский и о. Попова, Приморский край;
Средняя многолетняя скорость ветра 5,7 м/с;
Максимальная наблюденная скорость ветра 39 м/с;
Преобладающее направление ветра: северное;
Установленная мощность ветроэлектрической станции: ~36 000 кВт;
Единичная мощность ветроэнергетической установки: ~2 000 кВт;
Количество ветроэнергетических установок: 16…18;
Табл. 2 Модели предполагаемых ВЭУ
Фундамент: монолитный железобетонный, круглый мелкого заложения;
Диаметр: на скальных грунтах 20,4 м, на нескальных – 25,8 м;
Глубина заложения: на скальных грунтах 1,5 м, на нескальных – 2 м;
Годовая выработка: ~88 500 МВт×ч;
Коэффициент использования установленной мощности: 0,27;
Число часов использования: 2340;
Капитальные вложения ~2 800 000 тыс. руб.;
Удельные капитальные вложения: ~74 тыс. руб./кВт×ч;
Себестоимость электроэнергии: 1,80 руб./кВт×ч;
Показатели эффективности при тарифе на электроэнергию 7,5 руб/кВт×ч:
Простой срок окупаемости 5,5 лет;
Дисконтированный срок окупаемости 8,5 лет;
Чистый дисконтированный доход 1 560 000 тыс. руб;
Индекс доходности 0,56;
Внутренняя норма доходности 17,5 %
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С одной стороны ветроэнергетику стали интенсивно внедрять в электросистемы не от хорошей жизни. С другой стороны сложно придумать более доступный и неисчерпаемый источник энергии, которым грех не воспользоваться. Для нашей страны ветроэнергетика весьма актуальна по той простой причине, что существует огромное количество сёл и деревень без централизованного электроснабжения. Однако важно понимать, что сама по себе ветроустановка не решает проблемы электроснабжения в целом. Сама установка это лишь видимая часть айсберга. К ветроустановке необходимо огромное количество оборудования для повышения качества электроэнергии, оборудования для резервирования и дублирования. Вообще, если говорить о перспективах ветроэнергетики, то автору материала они видятся в её комплексном использовании с другими ВИЭ. Так, например Волгоградская ВЭС планируется к работе не «сама по себе», а в комплексе с Волгоградской ГЭС в качестве гидроаккумулятора. Грубо говоря, ветер будет экономить воду водохранилища.
Гидроаккумулятор в Миссури (Taum Sauk)
Конечно в данном материале «за скобками» осталось огромное количество специфических вопросов по ветроэнергетике. Но, на взгляд автора уже написанного должно хватить, что бы качественно оценить сильные и слабые стороны применения ветроэнергетики.
Мельница со станиной
Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.
«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс . «Машины: применение природных сил и науки»).
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых .
Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра
| Мощности ветрогенераторов и их размеры | ||||
|---|---|---|---|---|
| Параметр | 1 МВт | 2 МВт | 2,3 МВт | |
| Высота мачты | 50 м - 60 м | 80 м | 80 м | |
| Длина лопасти | 26 м | 37 м | 40 м | |
| Диаметр ротора | 54 м | 76 м | 82,4 м | |
| Вес ротора на оси | 25 т | 52 т | 52 т | |
| Полный вес машинного отделения | 40 т | 82 т | 82,5 т | |
| Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия | ||||
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 - 2 раза. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции . Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.
Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года . Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.
5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.
Статистика по использованию энергии ветра
На июнь 2012 года суммарные установленные мощности всех ветрогенераторов мира составили 254 ГВт. Среднее увеличение суммы мощностей всех ветрогенераторов в мире, начиная с 2009 года, составляет 38-40 гигаватт за год и обусловлено бурным развитием ветроэнергетики в США, Индии, КНР и ФРГ . Предполагаемая мощность ветряной энергетики к концу 2012 года по данным World Wind Energy Assosiation приблизится к значению в 273 ГВт .
В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44 % установленных ветряных электростанций, в Азии - 31 %, в Северной Америке - 22 %.
Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт, по странам мира 2005-2011 г. Данные Европейской ассоциации ветроэнергетики и GWEC .
| Страна | 2005 г., МВт. | 2006 г., МВт. | 2007 г., МВт. | 2008 г. МВт. | 2009 г. МВт. | 2010 г. МВт. | 2011 г. Мвт. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Китай | 1260 | 2405 | 6050 | 12210 | 25104 | 41800 | 62733 |
| США | 9149 | 11603 | 16818 | 25170 | 35159 | 40200 | 46919 |
| Германия | 18428 | 20622 | 22247 | 23903 | 25777 | 27214 | 29060 |
| Испания | 10028 | 11615 | 15145 | 16754 | 19149 | 20676 | 21674 |
| Индия | 4430 | 6270 | 7580 | 9645 | 10833 | 13064 | 16084 |
| Франция | 757 | 1567 | 2454 | 3404 | 4492 | 5660 | 6800 |
| Италия | 1718 | 2123 | 2726 | 3736 | 4850 | 5797 | 6737 |
| Великобритания | 1353 | 1962 | 2389 | 3241 | 4051 | 5203 | 6540 |
| Канада | 683 | 1451 | 1846 | 2369 | 3319 | 4008 | 5265 |
| Португалия | 1022 | 1716 | 2150 | 2862 | 3535 | 3702 | 4083 |
| Дания | 3122 | 3136 | 3125 | 3180 | 3482 | 3752 | 3871 |
| Швеция | 510 | 571 | 788 | 1021 | 1560 | 2163 | 2907 |
| Япония | 1040 | 1394 | 1538 | 1880 | 2056 | 2304 | 2501 |
| Нидерланды | 1224 | 1558 | 1746 | 2225 | 2229 | 2237 | 2328 |
| Австралия | 579 | 817 | 817,3 | 1306 | 1668 | 2020 | 2224 |
| Турция | 20,1 | 50 | 146 | 433 | 801 | 1329 | 1799 |
| Ирландия | 496 | 746 | 805 | 1002 | 1260 | 1748 | 1631 |
| Греция | 573 | 746 | 871 | 985 | 1087 | 1208 | 1629 |
| Польша | 73 | 153 | 276 | 472 | 725 | 1107 | 1616 |
| Бразилия | 29 | 237 | 247,1 | 341 | 606 | 932 | 1509 |
| Австрия | 819 | 965 | 982 | 995 | 995 | 1011 | 1084 |
| Бельгия | 167,4 | 194 | 287 | 384 | 563 | 911 | 1078 |
| Болгария | 14 | 36 | 70 | 120 | 177 | 375 | 612 |
| Норвегия | 270 | 325 | 333 | 428 | 431 | 441 | 520 |
| Венгрия | 17,5 | 61 | 65 | 127 | 201 | 329 | 329 |
| Чехия | 29,5 | 54 | 116 | 150 | 192 | 215 | 217 |
| Финляндия | 82 | 86 | 110 | 140 | 146 | 197 | 197 |
| Эстония | 33 | 32 | 58 | 78 | 142 | 149 | 184 |
| Литва | 7 | 48 | 50 | 54 | 91 | 154 | 179 |
| Украина | 77,3 | 86 | 89 | 90 | 94 | 87 | 151 |
| Россия | 14 | 15,5 | 16,5 | 16,5 | 14 | 15,4 |
Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт по данным WWEA .
| 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7475 | 9663 | 13696 | 18039 | 24320 | 31164 | 39290 | 47686 | 59004 | 73904 | 93849 | 120791 | 157000 | 196630 | 237227 |
В то же время, по данным European Wind Energy Association, суммарная вырабатываемая мощность ветряной энергии в России за 2010 год составила 9 МВт, что приблизительно соответствует показателям Вьетнама (31 МВт), Уругвая (30,5 МВт), Ямайки (29,7 МВт), Гваделупы (20,5 МВт), Колумбии (20 МВт), Гайаны (13,5 МВт) и Кубы (11,7 МВт).
В 2011 году 28 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра .
В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.
Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии . 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны .
Ветроэнергетика в России
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт·ч /год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч /год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.
Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16 % - в Западной и Восточной Сибири.
Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.
Cамая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области . Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SЕАS Energi Service A.S.
Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт Ленинградская область , Ейской ВЭС 72 МВт Краснодарский край , Калининградской морской ВЭС 50 МВт, Морской ВЭС 30 МВт Карелия , Приморской ВЭС 30 МВт Приморский край , Магаданской ВЭС 30 МВт Магаданская область , Чуйской ВЭС 24 МВт Республика Алтай , Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт Камчатская область , Новиковской ВДЭС 10 МВт Республика Коми , Дагестанской ВЭС 6 МВт Дагестан , Анапской ВЭС 5 МВт Краснодарский край , Новороссийской ВЭС 5 МВт Краснодарский край и Валаамской ВЭС 4 МВт Карелия .
Ветряной насос «Ромашка» производства СССР
Как пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС , действующей на 2010 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива .
Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка ».
В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объём реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).
Перспективы
Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.
В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году - 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч. .
Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить ветряных электростанций на 1500 МВт. .
Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт, из них 6 000 МВт - офшорных .
Экономические аспекты ветроэнергетики
Лопасти ветрогенератора на строительной площадке.
Основная часть стоимости ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (cтоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).
Экономия топлива
Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти .
Себестоимость электроэнергии
Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами , зависит от скорости ветра .
Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США , 4,5 - 6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.
При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35-40 % к концу г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.
По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО 2 на 1,5 миллиарда тонн .
Влияние на климат
Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее .
Вентиляция городов
В современных городах выделяется большое количество вредных веществ, в том числе от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная вентиляция городов происходит с помощью ветра. При этом описанное выше снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна .
Шум
Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
- механический шум - шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
- аэродинамический шум - шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)
В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровня шума не даёт информации о шумности ветроустановки, так как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.
В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.
Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
Обледенение лопастей
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.
Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.
Визуальное воздействие
Визуальное воздействие ветрогенераторов - субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.
В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на 1 кВт·ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы за то, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.
Использование земли
Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы . На 99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью , что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания , Нидерланды , Германия . Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.
Таблица: Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт·ч электроэнергии
Вред, наносимый животным и птицам
Таблица: Вред, наносимый животным и птицам. Данные AWEA .
Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветряками обнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому менее восприимчивы к резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков .
Использование водных ресурсов
В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы.
Радиопомехи
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала . Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы .
См. также
Источники
- Global Wind Installations Boom, Up 31 % in 2009
- World Wind Energy Report 2010 (PDF). Архивировано
- Wind Power Increase in 2008 Exceeds 10-year Average Growth Rate . Worldwatch.org. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- Renewables . eirgrid.com. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- «Wind Energy Update » (PDF). Wind Engineering : 191–200.
- Impact of Wind Power Generation in Ireland on the Operation of Conventional Plant and the Economic Implications . eirgrid.com (February 2004). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 22 ноября 2010.
- "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- Claverton-Energy.com (28 августа 2009). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 29 августа 2010.
- Alan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, ISBN 0-920650-00-7 ,
- http://www.tuuliatlas.fi/tuulisuus/tuulisuus_4.html Пограничный слой в атмосфере
- http://www.tuuliatlas.fi/tuulivoima/index.html Размеры генераторов по годам
- http://www.hyotytuuli.fi/index.php?page=617d54bf53ca71f7983067d430c49b7 Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия
- Clipper Windpower Announces Groundbreaking for Offshore Wind Blade Factory
- Edward Milford BTM Wind Market Report 20 Июль 2010 г.
- Jorn Madslien . Floating wind turbine launched , BBC NEWS , London: BBC , стр. 5 June 2009. Проверено 23 декабря 2012.
- Annual installed global capacity 1996-2011
- Half-year report 2012
- US and China in race to the top of global wind industry
- http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_2010/Annex%20stats%20PR%202009.pdf
- «Wind in power. 2011 European statistics »
- «Global Wind Statistics 2011 »
- Die Energiewende in Deutschland
- The Danish Market
- БИКИ, 25.07.09г., «На рынке ветроэнергетического оборудования КНР»
- Wind power - clean and reliable
- Испания получила рекордную долю электричества от ветра
- Использование энергии ветра в СССР \\ Бурят-Монгольская правда. № 109 (782) 18 мая 1926 года. стр. 7
- Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии
- http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций
- =1&cHash=EU will exceed renewable energy goal of 20 percent by 2020] (англ.) . Проверено 21 января 2011.
- Denmark aims to get 50% of all electricity from wind power
- EWEA: 180 GW of Wind Power Possible in Europe by 2020 | Renewable Energy World
- Lema, Adrian and Kristian Ruby, «Between fragmented authoritarianism and policy coordination: Creating a Chinese market for wind energy» , Energy Policy, Vol. 35, Isue 7, July 2007
- China’s Galloping Wind Market (англ.) . Проверено 21 января 2011.
- India to add 6,000 MW wind power by 2012 (англ.) . Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 21 января 2011.
- Venezuela, Dominican Republic Step into Wind 9 Сентябрь 2010 г.
- John Blau France Could Be Next Offshore Wind Powerhouse 26 Январь 2011 г.
- American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy
- Wind Energy and Wildlife: The Three C’s
- Wind Energy Could Reduce CO2 Emissions 10B Tons by 2020
- D.W.Keith,J.F.DeCarolis,D.C.Denkenberger,D.H.Lenschow,S.L.Malyshev,S.Pacala,P.J.Rasch The influence of large-scale wind power on global climate (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . - 2004. - В. 46.
- Dr.Yang(Missouri Western State University) A Conceptual Study of Negative Impact of Wind Farms to the Environment (англ.) // The Technology Interface Journal . - 2009. - В. 1.
- http://www.canwea.ca/images/uploads/File/CanWEA_Wind_Turbine_Sound_Study_-_Final.pdf
- Wind Energy in Cold Climates
- Wind energy Frequently Asked Questions
- Энергия ветра: мифы против фактов
- MEMBRANA | Мировые новости | Ветровые турбины убивают летучих мышей без единого прикосновения
- Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики 06 сентября 2010 года
Добавить сайт в закладки
Энергия ветра: использование
Энергию ветра, человек начал использовать в далеком прошлом. Это были ветряные мельницы, построенные в Персии в 200-х годах до н. э. и предназначенные для размола зерна.
Первая ветро-электростанция была построена еще в 1931 году в Ялте и развивала мощность до 100 кВт.
Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м.
Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.
В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.
В настоящее время ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,66 ГВт.
Ресурсов ветра достаточно, чтобы многократно удовлетворять потребности человечества в энергии.
Атмосферные турбины, вращающиеся под воздействием постоянных и быстрых потоков ветра, дующих на больших высотах, могут вырабатывать больше энергии, чем наземные и шельфовые турбины. В новом исследовании Кена Калдейры (Ken Caldeira) из Университета Карнеги приводится оценка максимального количества энергии, которое может быть выработано ветрогенераторами, а также рассматривается воздействие высотного сбора энергии на климат Земли.
Команда ученых из Ливерморской национальной лаборатории во главе с Кейт Марвел (Kate Marvel), начинавшей эти исследования в Университете Карнеги, использовала моделирование для количественного определения электроэнергии, вырабатываемой как с помощью приповерхностных, так и атмосферных ветров, дующих на больших высотах. К приповерхностным ветрам ученые отнесли те потоки воздуха, которые доступны для турбин, находящихся на земле или на морском шельфе. Высотными считаются такие ветры, доступ к которым может быть получен с помощью технологии объединения турбин и воздушных змеев. В исследовании рассматривались лишь геофизические ограничения таких технологий, технические или экономические факторы в расчет не принимались.
Турбины препятствуют перемещению воздуха, создавая сопротивление, снижающее движущую силу ветра, что приводит к его замедлению. При увеличении количества ветрогенераторов количество вырабатываемой электроэнергии также увеличивается. Но в какой-то момент ветры станут замедлены на столько, что добавление новых генераторов не приведет к росту выработки энергии. Исследование было сосредоточено на поиске точки, в которой количество вырабатываемой энергии максимально.
Используя модели, исследователи смогли определить, что с помощью наземных турбин можно получить более 400 ТВт энергии, а за счет высотных потоков воздуха – более 1800 ТВт.
Сегодня человечество потребляет около 18 ТВт энергии. Ветры, дующие у поверхности Земли, могут двадцатикратно удовлетворить наши потребности в энергии, а атмосферные потоки – стократно.
При максимальных уровнях извлечения энергии ветра последствия для климата могли бы быть весьма пагубными. Однако, как показали исследования, при сегодняшнем уровне потребности в энергии влияние ветрогенераторов будет незначительным, тем более, при равномерном распределении турбин по поверхности Земли, а не сосредоточении их в нескольких отдельных регионах. При этом температура может измениться всего на 0,1°С, а влияние на осадки будет в пределах 1%. В целом воздействие на окружающую среду не будет существенным.
Но, по мнению Калдейры, рост ветроэнергетики во всем мире будут, скорее всего, определять не геофизические ограничения, а технологические и политические факторы.
Разработанные NASA воздушные ветроэнергетические системы эффективнее традиционных турбин.
Ветряные турбогенераторы, устанавливаемые на земле, на сегодня представляют собой «золотой стандарт» ветроэнергетики. Но инженеры NASA работают над уникальной альтернативой – воздушными ветроэнергетическими системами. NASA делает упор на 2 основных элемента новой технологии – набор вырабатывающих электричество турбин, установленных на воздушном змее, и наземный генератор, соединенный с воздушным змеем и получающий энергию за счет его вращательных движений, когда тот ловит ветер.
Как сообщается, КПД такой воздушной системы достигает 90% благодаря вращательной фазе змея, которая использует на 10% меньше энергии. Другой ключевой особенностью новой системы является то, что лопасти турбины вращаются быстрее и удалены на большее расстояние от своего центра, что позволяет вырабатывать электроэнергию в большем количестве. В составе системы также имеется программное обеспечение распознавания движений наподобие Kinect компании Microsoft, которое может определять положение воздушного змея в пространстве, а также направление его движения и скорость.
Кроме того, имеется система управления полетом, позволяющая воздушному змею описывать «восьмерку». Прототип змея, над усовершенствованием которого работает NASA, имеет размах крыльев 10 футов (примерно 3 м). Также в NASA запросили разрешение на испытание системы на высоте 2000 футов (примерно 610 м), которая, как предполагается, является идеальной для работы воздушных ветроэнергетических систем. В NASA планируют использовать такую систему в будущем, и не только на Земле, но и на Марсе и других планетах.
Ветроэнергетика в России
В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л.с., 8 л.с. до 45 л.с. Такая установка могла освещать 150-200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор.
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Энергетические ветровые зоны в России расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.
Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16% - в Западной и Восточной Сибири.
Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.
Освоение энергии ветра по всему миру, в последние годы, происходит весьма стремительно. Лидерами на данный момент являются Китай и США, однако и остальной мир постепенно развивает это перспективное направление «чистой» энергетики, базирующейся на неисчерпаемом природном ресурсе – энергии ветра. С каждым годом в мире устанавливается все больше и больше , и налицо тенденция к дальнейшему распространению технологии.
Давайте рассмотрим преимущества и недостатки использования ветроэлектрических установок.
Преимущества:
1. Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем.
2. В процессе работы ветряной электростанции полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.
3. Ветряная станция не использует воду для своей работы.
4. Ветряная турбина и основные рабочие части таких генераторов расположены на значительной высоте над землей. Мачта, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь на земле, поэтому окружающее пространство может быть с успехом использовано для хозяйственных нужд, там могут быть размещены различные здания и сооружения, например, для сельского хозяйства.
5. Применение ветрогенераторов особенно оправдано для изолированных территорий, куда обычными способами электроэнергию не доставить, и автономное обеспечение для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.
6. После введения в эксплуатацию ветряной электростанции, стоимость киловатт-часа генерируемой таким образом электроэнергии значительно снижается. Например, в США специально исследуют работу вновь установленных станций, оптимизируют эти системы, и таким образом удается снижать стоимость электроэнергии для потребителей до 20 раз от первоначальной стоимости.
7. Техническое обслуживание в процессе эксплуатации минимально.
Недостатки:
1. Зависимость от внешних условий в конкретный момент. Ветер может быть сильным, или его может не быть вообще. Для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии потребителю в таких непостоянных условиях, необходима система хранения электроэнергии значительной емкости. Кроме этого, требуется инфраструктура для передачи этой энергии.
2. Сооружение ветровой установки требует материальных затрат. В некоторых случаях привлекаются инвестиции в масштабах регионов, что не всегда легко обеспечить. Именно стартовый этап, само возведение проекта является весьма дорогостоящим мероприятием. Упомянутая выше инфраструктура - немаловажная часть проекта, которая также стоит денег.
В среднем, стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000.
3. Некоторые эксперты считают, что ветряки искажают природный ландшафт, что их вид нарушает естественную природную эстетику. Поэтому крупным фирмам приходится прибегать к помощи профессионалов по дизайну и ландшафтной архитектуре.
4. Ветряные установки производят аэродинамический шум, который может причинить дискомфорт людям. По этой причине в некоторых странах Европы принят закон, по которому расстояние от ветряка до жилых домов не должно быть меньше 300 метров, а уровень шума не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью.
5. Есть небольшая вероятность столкновения птицы с лопастью ветряка, однако она настолько мала, что вряд ли нуждается в серьезном рассмотрении. А вот летучие мыши более уязвимы, поскольку строение их легких, в отличие от строения легких птиц, способствует получению смертельной баротравмы, при попадании млекопитающего в область пониженного давления около края лопасти.
Несмотря на недостатки, преимущества ветряных генераторов по части пользы для окружающей среды очевидны. Для наглядности стоит отметить, что работа ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет сэкономить за 20 лет около 29000 тонн угля или 92000 баррелей нефти.
Ветрогенератор – устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую, а затем в электрическую. По количеству вырабатываемой электроэнергии такие устройства делятся на большие, мощностью более 100 кВт, и малые, мощностью менее 100 кВт.
Большие, мощностью до нескольких мегаватт, используются в качестве единичных элементов ветровых электростанций, которые передают энергию в магистральные электросети для большого числа потребителей. Размещаются ветровые электростанции на берегах морей, крупных водоёмов и в пустынных местностях. Обязательным атрибутом при их развёртывании является инфраструктура для передачи энергии в линии электропередач.
Отдельные малые ветрогенераторы, о которых пойдёт речь в этой статье, нашли применение для электроснабжения частных домов и автономных объектов различного назначения – телекоммуникационных вышек, уличного освещения, элементов систем управления дорожным движением. Устанавливаются они рядом с объектом и нередко дополняются или дизель-генератором.
Принцип работы
Ветрогенератор представляет собой комплекс из нескольких устройств:
Принцип работы устройства состоит в том, что напор (давление) ветра вращает ветроколесо, которое передаёт вращение на ротор генератора. Ротор генератора возбуждает переменный ток в обмотках статора генератора, который поступает на контроллер. Контроллер этот ток преобразует в постоянный и им заряжает аккумулятор.
Все потребители получают энергию от аккумулятора через инвертор (220 В) или напрямую (12, 24, 48 В – в зависимости от числа батарей). Напрямую энергия ветряка не передаётся потребителям, что связано с нестабильностью параметров получаемого им тока.
Типы ветряных электростанций
Существуют следующие критерии для классификации ветряных электростанций:
- Количество лопастей. Ветродвигатели с числом лопастей до 4 именуются малолопастными и быстроходными. С количеством лопастей от 4 и более многолопастными и тихоходными. Деление по этому критерию обусловлено тем, что чем меньше число лопастей, тем, при прочих равных условиях, ветродвигатель имеет большее число оборотов.
- Номинальная мощность. Критерий достаточно условен, но применяется следующая градация: до 15 кВт бытовые (для частных домов, портативные), 15-100 кВт полупромышленные (для небольших ферм, магазинов, насосных станций), 100 квт- единицы МВт промышленные – предназначены для генерации энергии, используемой большим количеством потребителей.
- Направление оси вращения. Этот критерий является самым основным, так как влияет на основные характеристики ветряка:
- С горизонтальной осью вращения. Чаще всего двух или трёхлопастные, быстроходные. К достоинствам таких устройств относятся: быстроходность, а значит более простой генератор; высокий коэффициент использования энергии ветра и, как следствие, более высокий КПД; простота конструкции. К недостаткам относят: высокий уровень шума, необходимость высокой мачты для установки.
- С вертикальной осью вращения. Известно много разновидностей по конструктивному исполнению – ветрогенераторы Савониуса, роторы Дарье, геликоидный ротор, многолопастные ветрогенераторы. По мнению автора статьи достоинства всех таких конструкций, весьма сомнительны. Эти устройства имеют сложную конструкцию, требуют сложного генератора, имеют низкий коэффициент использования энергии ветра (0,18-0,2 против 0,42 у горизонтальных). К достоинствам относят малый уровень шума, возможность установки на небольшой высоте.
Вопрос выбора
При выборе устройства необходимо ответить на следующие вопросы:
- Необходимая мощность в кВт. Требуется оценить суммарное потребление в месяц и по этому критерию выбирать электростанцию;
- Производитель оборудования. Необходимо чтобы продукция была сертифицирована для использования на территории РФ, тогда можно быть уверенным, что характеристики прибора соответствуют национальным нормам по уровню шума и электромагнитным помехам. Обратите внимание на срок гарантии и срок службы прибора, он должен быть не менее 15 лет. Узнайте о сервисном обслуживании и гарантийном ремонте оборудования. Не будет лишним узнать отзывы о производителе и продавце от других пользователей.
- Требуемое место для установки ветряка. Исходите из ваших реальных возможностей. Если есть возможность для установки высокой мачты с горизонтальным типом устройства, то отдайте ему предпочтение. В противном случае рассмотрите вариант конструкции с вертикальной осью вращения.
- Цена. Не всегда лучше то, что дороже. Здесь, как и везде, можно переплачивать за бренд или за возможности, совершенно вам ненужные. Чётко определите свои требования к устройству, не заказывайте ненужных компонентов.
Если есть возможность для установки высокой мачты с горизонтальным типом устройства, то отдайте ему предпочтение
Установка
При установке следует помнить, что в РФ нет запрета на установку ветровых электростанций мощностью ниже 75 кВт и налогами они не облагаются. Но всё же нелишним будет ознакомиться с нормативными актами по установке и использованию таких устройств для каждой конкретной местности.
На что стоит обратить внимание:
- Допустимая высота установки мачты;
- Наличие линий электропередач вблизи предполагаемого места установки;
- Допустимый уровень шума в децибелах;
- Наличие эфирных помех от работающей электростанции.
Допустимая высота регламентируется местными нормативными актами, а вот размещать мачту вблизи линий электропередач нельзя.
Для двух последних пунктов необходимо взять данные из технических характеристик электростанции. У сертифицированных в РФ поставщиков и производителей, данные характеристики соответствуют местному законодательству.
Неплохим шагом будет получение согласия на установку от соседей и обслуживающей территорию организации, при её наличии. Согласие необходимо получить в письменном виде.
Когда все формальности утрясены необходимо определить конкретное место установки мачты. Следует учесть, что эффективность будет выше, если поблизости нет деревьев, высоких домов и мачта стоит на возвышении. Выбирать место установки следует так, чтобы близлежащие строения и деревья не находились перед ветряком. Неправильным будет и располагать мачту на холме, перед обрывом.
Устанавливать мачту необходимо в строгом соответствии с инструкциями производителя. При необходимости следует привлечь квалифицированных специалистов и спецтехнику.
Стоимость
На рынке доступны ветровые электростанции для дома мощностью от 0,4 кВт до 75 кВт различных производителей. Разброс цен на устройства одной и той же мощности достаточно велик.
Рассмотрим таблицу:
| Модель | Мощность, кВт | Цена, руб |
| EDS Group Condor Home | 0,5 | 89600 |
| EDS Group Condor Home | 3 | 195400 |
| EDS Group Condor Home | 5 | 285000 |
| EDS Group Condor Air | 10 | 770000 |
| EDS Group Condor Air | 30 | 1790000 |
| EDS Group Condor Air | 50 | 2850000 |
| ООО «Энергоспецсервис» | 1 | 94000 |
| BEKAR | 1 | 171800 |
| HY 400-L | 0,4 | 66430 |
| Энергосток | 3 | 98000 |
| Энергосток | 5 | 220000 |
| Энергосток | 10 | 414000 |
| Энергосток | 30 | 961000 |
| Энергосток | 50 | 3107000 |
В чём же дело? А дело в том, что производители часто указывают цену только за часть необходимого комплекта оборудования. Рассмотрим для примера продаваемый компанией Энергосток ветряк на 2 кВт. На сайте значится цена 57600 руб., но зайдём в детальное описание товара.
А там есть цена полного комплекта оборудования: ветрогенератор, контроллер, инвертор, АКБ, мачта. И цена полного комплекта составит 176800 рублей. Отсюда вывод – обязательно уточняйте цену за весь комплект!
Средние цены на генераторы российского и китайского производства следующие: 1 кВт 100-120 т.р., 3 кВт – 200 т.р., 5кВт – 300 т.р., 10 кВт от полумиллиона, а мощные устройства 20 и более кВт будут стоить более миллиона рублей. Если покупать оборудование западного производителя или США, то цены будут выше на 20-30%.
Ветряные электростанции своими руками
Если вы собрались изготовить ветрогенератор, то стоит обратить внимание на ресурсы Сети, которые предполагают 2 подхода: первый заключается в том, чтобы собирать все элементы своими руками, а второй предполагает покупку готовых комплектующих.
При сборке наибольшую трудность вызывает изготовление ветроколеса. Изготовить лопасти для конструкции с горизонтальной осью вращения с требуемыми аэродинамическими характеристиками непросто. Здесь два выхода: или платить за изготовление мастерской с необходимыми инструментами и опытом, либо смотреть в сторону конструкции с вертикальной осью вращения, для которой лопасти можно изготовить из обычной бочки.
Генератор можно приобрести подержанный, использовать двигатель стиральной машины или промышленного . Существует большой выбор готовых генераторов и комплектующих для их сборки на основе ниодимовых магнитов.
Изготовление мачты - это очень ответственный этап, ведь от него зависит безопасность эксплуатации всей конструкции. Отнестись к нему нужно тщательно, доверив расчёты прочности конструкции специалисту.
Контроллеры, инверторы и аккумуляторные батареи лучше приобрести готовые.
Схема устройства ветряной электростанции для самостоятельного изготовления
Устанавливать или нет
При решении вопроса целесообразности установки ветряной электростанции нужно получить следующие исходные данные:
Алгоритм оценки окупаемости ветряка следующий:
- По карте ветров и техническим характеристикам устройства определить вырабатываемую мощность для летнего и зимнего периодов или помесячно. Например, для рассмотренного выше устройства номиналом 2 кВт, вырабатываемая мощность при скорости 5 м/с составит 400 Вт;
- По полученным данным определить годовую генерируемую мощность;
- По стоимости киловатт-часа определить цену сгенерированной электроэнергии;
- Поделить стоимость комплекта ветрогенератора на полученную цифру и получится окупаемость в годах.
Для внесения поправок в расчёт следует учитывать:
- Аккумуляторные батареи придётся менять не реже одного раза в три года;
- Срок службы современного ветрогенератора 20 лет;
- Необходимо обслуживать устройство. Стоимость и сроки обслуживания необходимо уточнить у продавца оборудования;
- Стоимость киловатт-часа растёт каждый год, за предыдущие 10 лет она увеличилась более чем в 3 раза. На 2017 запланирован рост тарифов минимум на 4%, так что можно исходить из этой цифры удорожания электроэнергии.
Если полученные цифры окупаемости не устраивают, но заиметь альтернативный источник энергии хочется или нет возможности подключения к централизованному электроснабжению, то следует рассмотреть варианты повышения эффективности ветряка и снижения затрат на его монтаж и обслуживание.
Возможны следующие варианты:
- Установка нескольких устройств меньшей мощности вместо одного большого. Это снизит цену основного оборудования, уменьшит затраты на установку и обслуживание, а также повысит производительность за счёт того, что малые ветряки имеют больший КПД при низких скоростях ветра;
- Установка специальной сетевой системы управления электроэнергией , совмещённой с центральной системой электроснабжения. Такие устройства сегодня можно найти в продаже.
- для электроснабжения даже большого частного дома достаточно мощности 10 кВт;
- оцените возможности электростанции по генерации электроэнергии в вашей местности;
- выбирайте правильное место установки ветрогенератора;
- контролируйте комплектность покупаемого оборудования;
- используйте пути повышения скорости окупаемости оборудования;
- если дорого покупать – сделай сам, это не так сложно.
Загрузка...
