Ветроэнергетический потенциал России

УДК 621.311

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ РОССИИ

М.В. Шевченко

Обсуждается вопрос о ветроэнергетическом потенциале России, при этом приводятся примеры ветроэнергетических установок.

The article covers the problem of wind energy potential of Russia and shows the examples of wind power stations.

Среди возобновляемых источников энергии важное место по энергетическим ресурсам и практическому использованию принадлежит энергии ветра. Поверхность Земли, над которой среднегодовая скорость ветра на высоте флюгера (7-10 м) превышает 5,0 м/с, составляет 25%. Это позволяет использовать энергию ветра на современных ветроэнергетических установках (ВЭУ) в промышленных масштабах [1].

К настоящему времени в мире установлено примерно 130 тыс. ВЭУ общей мощностью свыше 6 000 МВт, в том числе примерно 1/3 из них находится в США и Канаде и 1/3 - в Европе [2].

Развитием ветроэнергетики активно занимаются США, Германия, Великобритания, Швеция, Япония, Дания, Нидерланды, Индия, Китай, которые имеют национальные программы развития ветроэнергетики.

Несколько десятков фирм во всем мире заняты созданием совершенной ветровой техники. Единичная мощность ветроэнергетических установок за последние 20 лет увеличилась с 50 до 3 000 кВт. В настоящее время наиболее распространенные коммерческие установки имеют единичную мощность от 200 до 1 000 кВт при стоимости 1 кВт установленной мощности от $ 750 до

1 000 и цене электроэнергии 5-10 центов/(кВт • ч). Распространены и автономные ВЭУ небольшой мощности в пределах 5-50 кВт [3].

Лидерами в производстве ветроэнергетической техники являются фирмы Дании (Vestas, Bonus, Micon, Wind World), Германии (Enercon, Genesis, Sudwind, Lagerway), Нидерландов (Nedwind, Nordtank) и Швеции [1].

Наиболее эффективным при использовании ветровой энергии за рубежом признано объединение ВЭУ в ветроэнергетические парки, или ветроэлектростанции (ВЭС), для работы на объединенные электрические сети большой и соизмеримой с ВЭС мощности.

На таких ВЭС, работающих параллельно с электрическими сетями, производится около 95% вырабатываемой ветровой электроэнергии в мире.

К основным направлениям развития ветроэнергетики относятся:

- создание крупных сетевых ВЭС;

- создание коммерческих ВЭУ мегаваттного класса;

- снижение стоимости производимой на них электроэнергии и охрана окружающей среды.

Особое направление представляют морские ВЭС. Для них уже созданы ВЭУ единичной

мощностью 1-1,5 МВт, которую предполагается увеличить до 3-5 МВт [2].

С учетом экономических, технических, экологических и других ограничений к 2020 г. можно было бы построить ВЭУ и ВЭС общей мощностью около 450 млн кВт с суммарной среднегодовой выработкой электроэнергии около 1 трлн кВт • ч в год, что составляет примерно 6-8% от вырабатываемой сейчас в мире электроэнергии. Ветровой потенциал стран Европы реально позволяет производить до 10-20% общего электропотребления [3].

В России энергетические ветровые зоны, перспективные для развития ветроэнергетики, расположены на побережье и островах Северного Ледовитого океана - от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Каспийского и Аральского морей, Нижней и Средней Волги, на побережье Охотского, Берингова, Черного и Азовского морей и составляют почти 5 млн км2. Валовой ветровой потенциал оценивается в 80 000 000 трлн кВт • ч/год, технический - в 62 000 000 трлн кВт • ч/год, экономический - в 31 000 трлн кВт • ч/год. При этом длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2 000 до 5 000 часов в год [1].

Около 30% экономического потенциала сосредоточено на Дальнем Востоке, примерно по 30-35% - в Западной и Восточной Сибири, 14% - в Северном экономическом районе.

Наиболее перспективными для размещения ветроэнергетических установок являются побережья морей и участки их шельфов. На шельфах морей удельная мощность ветрового потока составляет 1 000-1 500 Вт/м2, а на побережьях - 500.. .1 000 Вт/м2. При удалении от побережий и в глубинных районах удельная мощность ветрового потока снижается до 100-500 Вт/м2.

Для развертывания широкомасштабных работ в области развития ветроэнергетики в России имеются следующие основные предпосылки:

- исчерпание легкодоступных запасов органического топлива и его удорожание;

- обострение экологических проблем при сооружении традиционных крупных тепловых, гидравлических и атомных электростанций;

- существенное увеличение удельных капитальных затрат и сроков возврата инвестиций при сооружении традиционных энергообъектов с учетом современных природоохранных требований.

Широкое развитие ветроэнергетики в России позволило бы использовать экономический потенциал мощностью 10-20 тыс. МВт. В настоящее время многие крупные предприятия, в том числе оборонные, а также коммерческие структуры занимаются разработкой и производством ВЭУ различных конструкций, мощности и назначения. К ним относятся российские МКБ «Радуга», АО «Подъемтрансмаш», АО «Электросила», АО «Тушинский машиностроительный завод», АО «Пермские моторы», а также украинские НПО «Южное» и фирма «ЭСО». Налаживается производство ветроэнергетической техники, создан и готовится к изданию «Атлас ветропотенциала России».

На российском рынке имеются отечественные автономные ВЭУ мощностью от 0,1 до 16 кВт и сетевые ВЭУ мощностью 20, 200, 250, 420 и 1 000 кВт.

Подготовлены проекты строительства ВЭС на ближайшую перспективу. Общая их мощность составляет около 200 МВт. Среди них - Калмыцкая ВЭС мощностью 22 МВт, Морская (Карелия) и Приморская (г. Находка) мощностью по 30 МВт, Валаамская, Ленинградская, Дагестанская мощностью по 5 МВт и др.

Координацию работ по созданию оборудования и строительству ВЭС осуществляет АО «НПО Нетраэл», которое является ведущей организацией РАО «ЕЭС России» и корпорации «Единый электроэнергетический комплекс» («ЕЭЭК») в области практического использования возобновляемых источников энергии, развития малой энергетики и энергосбережения [3].

Ветроэнергетическая установка «Радуга-1»

Данная установка предназначена для выработки электрической энергии при работе или в составе ветроэлектрических станций, или самостоятельно на электрические сети бесконечной мощности, или на отдельные энергоузлы соизмеримой с ветроустановкой мощности [2].

Ветроэнергетическая установка проектировалась для строящейся Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт и испытаний на экспериментальной базе нетрадиционной электроэнергетики в Дагестане (Чиркейская ГЭС).

В связи с опытным характером первых ВЭУ было разработано и изготовлено три принципиально различных системы генерирования электроэнергии:

- асинхронный генератор двойного питания с преобразователем частоты в цепи ротора;

- четыре синхронных высокочастотных генератора с циклоконвертором;

- синхронный генератор с преобразователем частоты в цепи статора.

Ветроустановка «Радуга-1» еще в начале своего создания опережала по принятым техническим решениям зарубежную технику. Теперь она соответствует мировому уровню для установок своего класса.

Специально для этой ВЭУ была разработана уникальная конструкция лопастей ветроколеса со стальным лонжероном и обшивкой из алюминиевого сплава.

Механизмом передачи мощности является планетарный мультипликатор с параллельными потоками передачи мощности. Регулирование частоты вращения осуществляется изменением угла установки лопасти.

ВЭУ оснащена двумя независимыми системами безопасности - аэродинамическим флюги-рованием лопастей и механическим дисковым тормозом.

Ветроустановка «Радуга-1» оснащена современной системой управления, которая обеспечивает:

- ориентацию ветроколеса на направление ветра;

- диагностику технического состояния агрегатов ВЭУ;

- управление углом установки лопастей ветроколеса;

- автоматический пуск и торможение;

- выработку команд для подключения к сети и отключения от нее;

- выработку и отработку команд экстренного торможения;

- обработку команд дистанционного управления;

- ручное управление с терминала местного управления.

К основным техническим характеристикам ВЭС «Радуга-1» относятся:

номинальная мощность - 1 000 кВт;

выходное напряжение - 6 300; 380 В;

рабочий диапазон скоростей ветра - 5.. .25 м/с;

номинальная скорость ветра - 136 м/с;

буревая скорость ветра - 60 м/с;

диаметр ветрового колеса - 48 м;

высота башни - 36 м;

число лопастей - 3;

частота вращения ветроколеса - 21.42 об/мин;

частота вращения генератора в зависимости от исполнения системы генерирования -

2 500.5 000 или 650.1 300 об/мин; масса ВЭУ - 125.130 т; срок службы основных узлов - 25 лет; диапазон температур эксплуатации - от -50 до +40°С; расчетная сейсмичность - 8 баллов; разработчик - АО «НПО Нетраэл».

Ветроэнергетическая установка «ЭСО-0020»

Данная установка предназначена для энергоснабжения автономных потребителей, удаленных от электрических сетей.

Ветроэнергетическая установка может также использоваться в составе гибридных установок гарантированного электроснабжения вместе с аккумуляторными батареями, бензиновыми, дизельными, солнечными и другими электроустановками.

В базовый комплект ветроэнергетической установки входят: собственно установка, балластная нагрузка (электрокотел) и эксплуатационная документация. В качестве дополнительной комплектации могут быть предложены фотоэлектрические батареи, солнечные коллекторы, аккумуляторные батареи, выпрямители, инверторы, дизельные и бензиновые генераторы.

Ветроэнергетическая установка включает в себя ветроколесо с вертикальной осью вращения и двумя лопастями, вертикальную трансмиссию, конический редуктор, мультипликатор и асинхронный генератор, причем три последних расположены у основания решетчатой башни.

Выбрана вертикально-осевая схема, принцип которой основан на использовании подъемной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси. Самозапуск ВЭУ обеспечивается ротором Савониуса, установленным над главным ротором.

Благодаря независимости от направления ветра и размещению энергосилового блока на фундаменте установка имеет определенные преимущества перед горизонтально-пропеллерными с точки зрения надежности и удобства обслуживания.

При штилевых ветрах аппарат бесперебойного питания обеспечивает электроэнергию мощностью 1 500 Вт. Система автоматического управления производит автоматический запуск и управление в рабочем диапазоне ветров, автоматическую или ручную остановку и перевод на холостой ход при возникновении нештатных ситуаций по скоростям ветра или состоянию ВЭУ. К основным техническим характеристикам «ЭСО-0020» относятся: номинальная мощность - 20 кВт; выходное напряжение - БС 12-24 АС 220/380 В; рабочий диапазон скоростей ветра - 5.20 м/с; номинальная скорость ветра - 12 м/с; буревая скорость ветра - 60 м/с; диаметр ветрового колеса - 7,2 м; длина лопасти - 5 м; высота башни - 14 м; число лопастей - 2;

частота вращения ветроколеса - 37.94 об/мин;

масса ВЭУ - 6 200 кг;

срок службы основных узлов - 25 лет;

диапазон температур эксплуатации - от -40 до +40°С;

расчетная сейсмичность - 8 баллов;

среднегодовая выработка электроэнергии - 50 тыс. кВт • ч.

Ветроустановка прошла натурные испытания, а также испытания в аэродинамической трубе, имеет сертификат качества и безопасности.

Разработчик - АО «НПО Нетраэл».

Заключение

Современные ветродвигатели конструируют и строят на основе научных достижений в области аэродинамики и конструирования машин.

Но в настоящее время в России не существует промышленности по массовому производству крупных ВЭУ [1]. Сравнительно крупные турбины (250 и 1 000 кВт) производятся в очень малых количествах всего только на трех заводах. До сегодняшнего дня было произведено менее 20 установок по 250 кВт и 3 установки по 1 МВт.

Избыток уже существующих мощностей по производству энергии и отсутствие реальной промышленности по производству ветроагрегатов в России очень сильно затрудняют конкуренцию ВЭУ с обычными электростанциями. Вновь строящиеся ветряные турбины требуют новых капиталовложений и дополнительных эксплуатационных издержек, в то время как уже существующие обычные тепловые электростанции имеют только расходы на топливо и эксплуатацию. Поэтому более благоприятные условия для развития ветроэнергетики будут тогда, когда потребность в электроэнергии превысит существующие мощности и возникнет необходимость в строительстве новых электростанций [1].

Реальной целью для развития ветроэнергетики в России может быть замена всех морально устаревших атомных электростанций или, по крайней мере, выработка ветроагрегатами такого же количества электроэнергии, какое вырабатывается старыми АЭС. Полная установленная мощность атом-

ных станций в России составляет 20 242 МВт, а фактическая выработка за последние годы -92,4 ТВт • ч/год. К 2020 г. подлежит выводу из эксплуатации более 40% мощностей АЭС [3].

Литература

1. www.vostokmedia.com

2. http://www.politjoumal.ru

3. Стратегия развития энергетики Камчатской области: Программа. - Дальэнергосетьп-роект, 2001.