Ветроэнергетика как наука

1.Ветроэнергетика — как наука.

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2009 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 159,2 гигаватт[1]. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 340 тераватт-часов (около 2 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2009 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 20 % всего электричества, в Ирландии — 14 %, в Португалии — 14 %, в Испании — 13 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Интеллектуальное управление распределением электроэнергии может помочь в решении подобных проблем.

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Воздушные потоки у поверхности Земли/моря являются ламинарными — нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность не прямопропорциональна скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в десять раз. Мощности ветрогенераторов и их размеры

В августе 2002 года компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, вес гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения[13]. В 2009 году турбины класса 1,5 — 2,5 МВт занимали 82 % в мировой ветроэнегетике.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов — механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

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.




2.Ветроэнергетические установки

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, усанавлива-емым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.Установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра дост точно велики.

КПД достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.

Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра. 

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 % потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии. 

По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт.ч, то сегодня она составляет 6-8 центов.



В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.

Новая концепция ветряной электростанции - без турбин

Нью-йоркская дизайн-студия Atelier DNA разработала новую, довольно интересную концепцию устройства, которая собирает энергию ветра… без традиционных ветряных турбин. Эта концепция под названием Windstalk разрабатывалась специально для проекта экологически чистого города Масдар Сити, что в Абу-Даби, как в качестве местной достопримечательности, так и для производства электроэнергии для нужд города.

Концепция Windstalk представляет собой 1203 довольно гибких столба высотой 55 метров, сделанных из углеродного волокна и армированных полимером, каждый из которых закреплен в земле в бетонном основании 10 – 20 метров в диаметре. Сами столбы у основания имеют 30 см в диаметре и постепенно сужаются, достигая 5 см в диаметре в верхней части. В качестве наполнителя столба служат стеки пьезоэлектрических керамических дисков. Между дисками расположены электроды, которые подключены к кабелям, проложенным по всей длине внутри столба – один кабель соединяет четные электроды, а другой соединяет нечетные.

Таким образом, когда столб качается на ветру, стеки пьезоэлектрических дисков сжимаются, создавая ток через электроды. Для того, чтобы визуально увидеть мощность генерации энергии, каждый столб в верхней части (50 см) оснащен светодиодной лампой, которая светится или тускнеет в зависимости от вырабатываемого количества энергии.

Для того, чтобы максимизировать количество электроэнергии, производящее ветряной «фермой» Windstalk, разработчики разместили в бетонном основании каждого столба генератор крутящего момента, которые преобразуют кинетическую энергию покачивания столбов в электричество.

Поскольку производство электроэнергии в концепции Windstalk будет зависеть от силы и скорости ветра, дизайнеры разработали способ хранения энергии. Под столбом будут установлены две большие камеры с водой, расположенных друг над другом. Когда дует ветер, часть электроэнергии используется для питания множество насосов, которые поднимают воду из нижней камеры в верхнюю. Потом, когда ветер стихает, вода спускается из верхней камеры в нижнюю, превращая насосы в генераторы.

Проектная группа предполагает, что общий объем производства электроэнергии концепцией будет сопоставим с количеством электричества, которое вырабатывает обычный массив ветряных турбин за счет большей плотности размещения столбов.








3.Ветроэнергетика Беларуси

Беларусь не располагает собственными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР). Лишь 15% собственных ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются — в основном из России. В последние годы наблюдается постоянный рост цен на топливо и импортируемую электроэнергию. Этот рост будет иметь место и далее до достижения мировых цен. В связи с этим для Беларуси чрезвычайно важно включать в топливно-энергетический баланс вторичные энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, одним из которых является ветер.

Ветроэнергетика, как и любая отрасль хозяйствования, должна обладать тремя обязательными компонентами, обеспечивающими ее функционирование:1) ветроэнергетическими ресурсами, 2) ветроэнергетическим оборудованием, 3) развитой ветротехнической инфраструктурой.

1. Для ветроэнергетики Беларуси энергетический ресурс ветра практически неограничен. В стране имеется развитая централизованная электросеть и большое количество свободных площадей, не занятых субъектами хозяйственной деятельности. Поэтому размещение ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэлектрических станций (ВЭС) обусловливается только грамотным размещением ветроэнергетической техники на пригодных для этого площадях.

2. Возможности приобретения зарубежной ветротехники весьма ограничены вследствие отсутствия достаточного выбора именно того оборудования для ВЭУ и ВЭС, которое соответствует климатическим условиям Беларуси, а также мощного противодействия ответственных административных работников от официальной энергетики.

3. Отсутствие инфраструктуры по проектированию, внедрению и эксплуатации ветротехники и, соответственно, практического опыта и квалифицированных кадров можно преодолеть только в ходе активного сотрудничества с представителями развитой ветроэнергетической инфраструктуры зарубежья.

Сведения о ветроэнергетических ресурсах Беларуси изложены в отчетах по научно-исследовательским работам и в публикациях, использованных при формировании Ветроэнергетического кадастра, который включает:

— информационный банк данных о ветроэнергетических характеристиках на территории Беларуси;

— информационную базу данных с программным обеспечением для расчетов ветроэнергоресурсов на территориях и оценки ветроэнергетического потенциала конкретной ВЭУ в конкретном месте ее внедрения;

— Ветроэнергетический атлас, содержащий набор карт размещения ветротехники В12 и В14 континентального базирования на отдельных территориях Беларуси и паспорта точек (площадок) преимущественного внедрения ветротехники;

— временные руководящие документы по применению, созданию, сертификации, строительству и эксплуатации ветротехники;

— временное руководство по оценке ветровых режимов по требованиям ветроэнергетики на период 2005-2020 гг.



Гарантированная выработка утилизируемой энергии ветра с 7% территории Беларуси составит 14,65 млрд кВт(ч. Использование же зон с повышенной активностью ветра гарантирует выработку энергии ВЭУ до 6,5-7,5 млрд кВт(ч с окупаемостью затрат в течение 5-7 лет. Абстрактные сведения о территориальном распределении ветроэнергоресурсов, способствующие планированию развития ветроэнергетики в Беларуси, дополнены разработкой комплекта карт и паспортизацией возвышений (таблица 2). Эти карты, являясь основной частью Ветроэнергетического атласа Беларуси, в достаточной мере обосновывают по региональным признакам возможности практической реализации возведения ВЭУ и ВЭС на территориях страны в целом и каждой области.








4.Перспективы развития

Темпы увеличения суммарной мощности ВЭУ и ВЭС в мире имеют тенденцию к быстрому росту. Так, суммарная мощность всех ВЭС планеты в 2001 г. составила 24,35 ГВт, а к концу 2006 г. — уже более 74 ГВт и продолжает иметь неуклонную тенденцию к увеличению. Европейская ассоциация ветроэнергетики (EWEA) пересмотрела планы роста установленных ветроэнергетических мощностей в Европе к 2010 г. от прежней цифры в 40 ГВт до 60 ГВт. На Европу приходится около 70% мировых ветровых мощностей, наибольшая часть которых расположена в Германии, Испании и Дании. В странах Европы в зависимости от ветровых потоков ветроэнергетические мощности имеют следующее базирование:

— внутриконтинентальное (ВЭС и единичные ВЭУ размещаются внутри континента);

— прибрежное (ВЭС размещаются вблизи или вдоль морского берега);

— морское (ВЭС размещаются в открытом море неподалеку от побережья).

Поскольку характеристики ветра внутри континента отличаются от характеристик ветра прибрежных зон и вблизи побережья, характеристики соответствующих ВЭУ (начальная скорость вращения, скорость достижения номинальной мощности и др.) также разнятся. Так, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации ВЭУ внутриконтинентального базирования ряда немецких фирм начинают работу со скоростей ветра 3,0-4,0 м/с и достигают номинальной мощности при скоростях 10-13 м/с. Следовательно, освоение ветроэнергетики в Беларуси необходимо вести, ориентируясь на ВЭУ зарубежного производства внутриконтинентального базирования. 

Согласно мировой практике, типоряд ВЭУ В12 и В14 по номинальной мощности соответствует диапазону от 1 кВт до 1,5 МВт. При этом ВЭУ В12 для континентального базирования в Европе обладают диапазоном номинальной рабочей скорости ветра в центре ветродвигателя от 12 до 14 м/с, а ВЭУ В14 прибрежного и морского базирования имеют такую номинальную скорость более 14 м/с. Определен также типоряд ВЭУ В6, В8, В10 на соответствие ветровым климатическим зонам, характерным для равнинно-холмистой местности. Для типоряда ВЭУ В6, В8, В10 на уровне оси ветродвигателя номинальная рабочая скорость ветра соответственно распределяется в диапазонах 6-8 м/с, 8-10 м/с и 10-12 м/с. 

Для первоначального этапа развития ветроэнергетики Беларуси определены 1840 площадок для строительства как одиночных ВЭУ, так и ВЭС с потенциалом более 200 млрд кВт(ч. Выявленные на территории Беларуси площадки под ветроэнергетику — это, в основном, гряды холмов высотой от 20 до 80 м с фоновой скоростью ветра 5 м/с и более, на которых можно возвести от 5 до 20 ВЭУ. Каждому внедрению должно предшествовать детальное обследование места строительства ВЭУ. Невыполнение условий по результатам обследований приведет к значительным ошибкам в оценке выработки энергии. При выборе конкретных образцов ВЭУ необходимо дополнительно учитывать ряд факторов, связанных с величиной фактического ветроэнергетического ресурса в месте непосредственного размещения ВЭУ. К таким факторам относятся: абсолютная высота местности, высота возвышения площадок и их открытость, отдаленность предполагаемого места размещения ВЭУ от потребителя и особенно от линий электропередачи, в т.ч. от трансформаторных подстанций и т.п. Выборочные обследования зон опытной эксплуатации ветротехнического оборудования на территории Беларуси показали, что при оптимальном выборе строительной площадки для возведения ВЭУ (на возвышениях и открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) окупаемость ВЭУ при среднегодовой скорости ветра 6-8 м/с укладывается в срок около 5 лет. Наиболее эффективно обеспечивается использование современной зарубежной ветротехники на территориях зон со среднегодовыми фоновыми скоростями не ниже 4,5 м/с на холмистом рельефе. К таким регионам относятся: возвышенные районы большей части севера и северо-запада Беларуси, центральная зона Минской области включая прилегающие с запада районы, Витебская возвышенность. Местами на обследуемых территориях возможно обнаружение не выявленной ранее энергоэффективной холмистости, а также других энергоэффективных площадок для строительства не только мощных ВЭУ, но и ВЭС (например, в продуваемых долинах большой протяженности, вблизи крупных водных массивов, на высоких откосах и т.п.).

Специалисты Республиканского гидрометеоцентра активно продолжают исследования ветрового потенциала Беларуси. 

Учеными готовится Атлас ветров, который будет использован для оценки площадок, где можно развернуть ветроэнергетические установки. Атлас ветров - очень важный документ, который позволит оценить изменения ветрового потенциала нашей страны в условиях изменяющегося климата.

Больше всего подходят для создания ветропарков северная и северо-западная часть территории Беларуси - Минская, Витебская и Гродненская области. Это связано прежде всего с местным ландшафтом - ветропарки устанавливают обычно на возвышенности. Меньше подходят для этих целей Гомельская, Могилевская и Брестская области. Надо отдавать себе отчет в том, что одни только ландшафтные условия не являются основанием для привлечения инвестиций в ветроэнергетику. Необходимо наличие автомобильных дорог или других подъездных путей к местности, где планируется установка ветропарков, наличие линий электропередач, на которые будет сбрасываться энергия ветра, нужно учитывать также среднегодовую фоновую скорость ветров. Только при таких условиях можно говорить о высокой экономической эффективности проектов. Расход и оплата электроэнергии, получаемой из альтернативных источников энергии, предусмотрен по отдельной схеме расчета, по другим тарифам. Нужно создавать мощный, экономически выгодный конгломерат. Ветроустановки как отдельное сооружение не эффективны.

Кроме того, при строительстве ветропарков должны быть соблюдены и экологические требования. Их работа не должна нарушать биологическое разнообразие региона, создавать проблем для естественного развития лесов, мешать гнездованию и размножению птиц.

В законе "О возобновляемых источниках энергии" определены конкретные подходы получения энергии, в том числе из альтернативных источников. До 2015 года в Беларуси около 30% энергоресурсов необходимо получать из местных или альтернативных источников.

Как сообщалось БЕЛТА, выгоднее всего применять энергию ветра в зонах со среднегодовыми фоновыми скоростями ветра выше 5 м/c. В ближайшие два года проекты по развитию ветроэнергетики будут выполнены в Новогрудском и Лиозненском районах, где планируется построить ветропарки мощностью 25 МВт и 60 МВт соответственно. Ожидается, что ветропарки появятся в Ошмянском, Сморгонском, Логойском районах. Ведутся переговоры с немецкой фирмой "Энертраг" об установке ветротехники в Дзержинском районе, в экопарке "Волма". Первая очередь проекта предусматривает ввод в строй ветроустановок мощностью 10 МВт. Впоследствии планируется увеличить эту мощность до 150 МВТ.

Немецкая компания Enertrag AG и Миноблисполком  подписали инвестиционный договор о строительстве в Дзержинском районе современного ветропарка. Свои подписи под документом поставили председатель Миноблисполкома Борис Батура и член Правления компании Enertrag AG Вернер Дивальд. Enertrag AG инвестирует в проект около 360 млн евро. Строительство будет осуществляться в несколько этапов. Начало работ  началось в 2010 году, окончание намечено - на 2012 год. Мощность ветропарка составит до 160 МВт. Здесь будет производиться около 170 млн.кВт.ч электроэнергии - это примерно годовое обеспечение двух таких районов, как Дзержинский.

Такой проект очень важен для Минской области как возможность диверсифицировать энергоресурсы. С его реализацией доля ветроустановок в общем объеме энергопотребления в столичном регионе составит 3%. Проект позволит Минской области значительно увеличить долю местных видов топлива в топливно-энергетическом балансе. Сегодня эта цифра составляет 17%, а нужно в ближайшее время довести потребление МВТ до как минимум 25%.

В Германии ветроэнергетика хорошо развита, в этом секторе работает около 300 тыс. человек. Суммарная мощность ветроустановок достигает 2 тыс. МВт. Компания Enertrag AG является всемирно известным производителем электроэнергии из возобновляемых источников энергии. По всему миру работает более 400 ветроустановок этой компании.

Исходя из ветроэнергетического потенциала только в Минской области насчитывается 1076 строительных площадок под размещение на каждой от 3 до 10 ВЭУ континентального базирования мощностью до 1000 кВт. Среднегодовая выработка только 10% этих ВЭУ в статистическом распределении времени работы в номинальном режиме от 2500 до 3300 часов в год на срок эксплуатации установок составляет около 2676 млн кВт(ч. Соответственно среднегодовая экономия жидкого топлива составит более 800 тыс. тонн. Сроки окупаемости капитальных вложений в ветротехнику сопоставимы со сроками окупаемости малых гидроэлектростанций, парогазовых и газо-мазутных электростанций и значительно ниже данных сроков для угольных, атомных и дизельных электростанций. По завершении срока окупаемости затраты на эксплуатацию ВЭУ неизмеримо ниже аналогичных затрат для электростанций, работающих на жидком, газообразном, твердом и ядерном топливе, т.к. не нуждаются в поставках ископаемых источников энергии. Следует учитывать, что ветроэнергетическая отрасль за счет каждой ВЭУ начинает вырабатывать энергию немедленно после монтажа и при этом не требует гигантских единовременных капитальных вложений, также как и концентрированных вложений при заменах по завершении сроков эксплуатации каждой отдельной ВЭУ. Основными препятствиями к развитию ветроэнергетики в Беларуси как путем внедрения зарубежной ветротехники континентального базирования, так и посредством организации производства собственных ВЭУ остаются проблемы финансирования работ по созданию ВЭУ и ВЭС, тарифной и налоговой политики, отсутствия льгот при закупке и эксплуатации ветроэнергетического оборудования, стандартизации и сертификации продукции.






Литература

1. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. «Госкомгидромет СССР — ГГО им. А.И. Воейкова» и НПО «Ветроэн». Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989.

2. НИР №12488 «Методические указания по обоснованию и разработке схемы размещения площадок под ветроэнергетические установки на территории Республики Беларусь», руководитель к.т.н. Пекелис В.Г., Минск, НИПИ «Белэнергосетьпроект», 1995.

3. НИР 06.4.1 «Формирование информационного банка данных по ветроэнергетическому потенциалу в зонах предполагаемого внедрения ветроустановок», руководитель к.т.н. Шадурский Г.П.; ГНТП тема «Жилищно-коммунальное хозяйство», Минск, НПГП «Ветромаш», 1998.

4. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д. Белорусская ветроэнергетика — реалии и перспективы//Энергия и менеджмент, №3 и 4, 2002.

5. Лаврентьев Н., Жуков Д. Основные виды возобновляемой энергии. Потенциал Беларуси //Энергетика и ТЭК», №7, 2003.



3