Доклад: Ветроэнергетика 

 

Энергия ветра

 

Энергия ветра  — это преобразованная энергия  солнечного излучения, и пока

светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тоже

возобновляемый  источник энергии.

Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно вспомнить

парусный флот, который был уже у древних  финикян и живших одновременно с  ними

других народов, и ветряные мельницы. В принципе, преобразовать энергию ветра

в электрический  ток, казалось бы, нетрудно — для  этого достаточно заменить

мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и

летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом их существенное преимущество перед

самим солнечным  излучением. Поэтому вполне п9нятны  многочисленные попытки

"запрячь ветер  в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.

Первая в нашей  стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт была

сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров  А.Г.Уфимцева и

В.П.Ветчинкина. Через  год в Крыму была построена  более крупная ВЭС мощностью

100 кВт, которая  была по тем временам самой  крупной ВЭС в мире. Она успешно

проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена. В настоящее время в

СССР выпускаются  серийные ветроагрегаты мощностью 4 и 30 кВт и готовятся к

выпуску более  мощные установки 100 и даже 1000 кВт. Делаются первые шаги по

пути перехода от единичных автономных ВЭС к  системам связанных в единую сеть

многих ветроагрегатов большой мощности. Первая такая система  должна быть

сооружена около  поселка Дубки в Дагестане.

Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих

странах Западной Европы построено довольно много  установок по 100-200 кВт. Во

Франции, Дании  и в некоторых других странах  были введены в строй ВЭС с

номинальными мощностями свыше 1 МВт (табл. 1).

        Таблица 1. Наиболее крупные ветроэнергетические установки       

    

 

Одна из наиболее известных установок этого класса "Гровиан" была создана в

Германии, ее номинальная  мощность — 3 МВт. Но самое широкое  развитие

ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там  была построена первая ВЭС

мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает

1300 МВт, причем  среди них есть гиганты с  мощностью до 4 МВт (табл.2.) .

Всего в мире в  настоящее время насчитывается  около 3 млн. ветроустановок, из

них примерно 3,5 тыс. у нас.

                Таблица 2. Данные по БЭС в разных странах               

    

 

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, устанавливаемым

по направлению  ветра. Намного реже применяются  устройства с вертикальным

валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь

в 1 м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости

ветра. Поэтому  установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где

среднегодовые скорости ветра достаточно велики.

Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем

случае теоретически преобразовать в мощность на его  валу 16/27=0,59 (критерий

Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь  сечения, ометаемого

ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального

ветрового колеса. В действительности КПД ниже и  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.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно  большей единичной мощностью. В

1978 г. в США  была создана первая экспериментальная  ВЭУ мегаваттного класса с

расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США  были сооружены

и испытаны 5 ВЭУ  с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая  большая к тому времени

ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к

сожалению, она  проработала лишь несколько сот  часов. Построенные несколько

позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были

установлены в  Швеции и США и проработали  первая 20, а вторая 10 тыс.ч.

В Канаде ведутся  работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным

валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания

с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ

мегаваттного класса.

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 °/о 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. С учетом

того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем  большим ветровым

фермам с общей  мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое

Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до

2,5 центов/ (кВт.  ч) вполне реально [57, 90,94].

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.

    

Ветроэнергетика за рубежом

 

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой

зрелости и в  местах с среднегодовыми скоростями ветра более 5 м/сек успешно

конкурируют с  традиционными источниками электроснабжения.

Преобразование энергии ветра в механическую , электрическую или тепловую

осуществляется  в ветроустановках с горизонтальным или вертикальным

расположением вала ветротурбины. Наибольшее распространение  получили

ветроэнергетические установки с горизонтальной осью ротора , работающие по

принципу ветряной мельницы. Турбины с горизонтальной осью и высоким

коэффициентом быстроходности обладают наибольшим значением коэффициента

использования энергии  ветра ( 0,46-0,48). Ветротурбины с вертикальным

расположением оси  менее эффективны (0,45) , но обладают тем преимуществом,

что не требуют  настройки на направление ветра. В таблице 3 приведены данные о

доле на рынке  различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ.

     Табл. 3 Доля на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ