Состояние и перспективы использования ветроэнергетики
Министерство образования
Республики Беларусь
Белорусский Государственный
Экономический Университет
Р Е Ф Е Р А Т
на тему:
" Состояние и
перспективы использования ветроэнергетики".
студентки
ФЭФ, 1 курс Абражевич А. С.
гр. ФКВД-1
руководитель
Бобрович А. Б.
Минск, 2001 г.
Солнце
по-разному обогревает разные участки земной поверхности – горы и долины, океаны
и сушу. Воздушный океан, на дне которого мы живем, всегда неспокоен. Постоянно
и повсюду дуют ветры – от легкого ветерка, приносящего желанную прохладу в
летний зной, до могучих и грозных ураганов.
Огромная
энергия движущихся воздушных масс, и мысль об ее использовании давно уже
привлекала людей. Да и использовать эту энергию научились за тысячу лет до
нашей эры. Энергия ветра помогала преодолевать просторы океанов, ветряные
мельницы служили единственным источником энергии для тех человеческих
поселений, где не было рек или моря. И теперь интерес к использованию энергии
ветра, источника нескончаемого, не прошел, и, более того, техника ХХ века
открыла для этого совершенно новые
возможности.
Активное
использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак
хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и
правительствами развитых стран. Признанным лидером в области ветроэнергетике
являются США и ФРГ, где установленная мощность ветроэнергетических установок
составила в 1997 году 1590 и 1550 Мвт. Последующие места занимают Дания, Индия
и Нидерланды. В этих странах мощности ветроэнергетических станций равнялась
825, 820 и 285 Мвт. Ветроэнергетическое машиностроение обособилось в отдельную
отрасль. На мировом рынке действуют десятки достаточно крупных фирм. Имеются
тенденции к увеличению производства ветроэнергии во многих странах мира,
например в Дании, в настоящее время ветроэнергетические станции обеспечивают 4%
потребляемой в стране энергии, то в 2030 на их долю придется половина всей
производимой в стране электроэнергии.
Ветроэнергетическая
установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в
энергию вращения ротора генератора, который, и вырабатывает электроэнергию.
Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади
лопастей ветрового ротора и скорости ветра. Поэтому ветроэнергетические
установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим
габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень
большой.
Удивительно
разнообразны конструкции современных ветроустановок. Питер Макгрэв из Англии
разработал проект ветроэнергетической установки мощностью 3 тысячи киловатт с
двумя лопастями, укрепленными на горизонтальной оси. Известная авиастроительная
фирма "Макдоннел – Дуглас" спроектировала установку такого же типа,
но с тремя лопастями. А западногерманская фирма "Мессершмит – Бёльков –
Блом" разработала конструкцию ветроколеса с одной лопастью длинной 74
метра, установленной на башне высотой 120 метров. Мощность этого гиганта должна
составить 5 тысяч киловатт. Встречаются и конструкции , где ветер должен
вращать устройство, напоминающее огромное велосипедное колесо, на котором
вместо спиц укреплены лопасти.
Для
эффективной работы ветроустановок необходимы определенные требования по их
размещению. Так, для относительно постоянной работы ветроэнергетических
установок требуется их размещение в местностях, где ветровой потенциал
составляет 2500 часов в год.
Ветровые
условия района применительно к ветроиспользованию характеризуются
ветроэнергетическим потенциалом, который включает в себя различные показателя
ветра, определяемые по результатам многолетних наблюдений: среднегодовые и
среднемесячные скорости ветра; повторяемость скорости и направление ветра в
течение года, месяца, суток; данные о порывистости, затишьях и максимальных
значениях скорости ветра; изменения его с высотой и т. п.
Достоверность
оценки ветрового потенциала местности – наиболее важный фактор, определяющий
эффективность ветроэнергетических станций. В общем случае для его определения
необходимо проведение непрерывных наблюдений в месте предполагаемого
строительства ветроэнергетических станций продолжительностью не менее года. При
проектировании большого количества ветроэнергетических станций эта задача
требует огромных трудозатрат, поскольку для каждой ветростанции рассматривается
несколько вариантов площадок.
Современные
ветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя на высоте 50-70
м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для мест строительства крупных
ветроэнергетических станций, предназначенных для работы в мощных
энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера (10 м) должна
составлять не менее 6 м/с. Следует учитывать, что
наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая,
куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобы
установка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной
поверхностью и ветроколесо было установлено достаточно высоко над местными
препятствиями, чтобы набегающий на него ветропоток был сильным, однородным с минимальными
флуктуациями скорости и направления.
Энтузиасты
ветроэнергетики предлагают построить в наиболее ветреных местах Земли группы
ветроагрегатов, соединять их между собой, а затем полученную энергию передавать
в энергетическую систему. Датские специалисты предлагают разместить ветровые
электростанции в море, где сила ветра всегда больше, чем на суше. Они
подсчитали, что группа из двухсот морских ветроагрегатов может выработать за
год столько энергии, сколько ее содержится в полумиллионе тонн угля.
Далее стоит
вопрос выбора расчетных параметров ветроэнергетических установок для заданного
(определенного расчетным путем или экспериментально) ветрового потенциала, т.
е. выбора экономически оптимального размера ветроэнергетической установки. Так,
например, в Калифорнии на ветроэнергетической станции "Алтамон"
несоответствие выбранного типоразмера ветроэнергетической установки и действительного
ветрового потенциала привело к тому, что установка вырабатывает 50-60%
расчетного количества энергии. Затем следует обосновать оптимальные сроки
службы и оптимальные показатели надежности ветроэнергетической установки,
решить вопросы резервирования, изучить характеристики потребителей, рассмотреть
область целесообразного использования ветроэнергетических установок в зависимости
от конкретных условий.
Следует
отметить, что была разработана классификация силы ветра по шкале Бофора и
изучено влияние ее на характеристики ветроэнергетических установок различных
классов и условия их работы.
Сила ветра по шкале Бофора и ее
влияние на ветроустановки и условия их работы.
|
Баллы Бофорта
|
Скорость ветра, м/с
|
Характеристика силы ветра
|
Наблюдаемые эффекты действия
|
Воздействие ветра на ВЭУ
|
Условия для работы ВЭУ при
средней в данном диапазоне скорости ветра
|
|
0
|
0,0-0,4
|
Штиль
|
Дым из труб поднимается вертикально
|
нет
|
отсутствуют
|
|
1
|
0,4-1,8
|
Тихий
|
Дым поднимается не совсем
отвесно, но флюгеры не подвижны. На воде появляется рябь.
|
|
|
|
2
|
1,8-3,6
|
Легкий
|
Ветер ощущается лицом,
шелестят листья, на воде отчетливое волнение
|
|
Плохие для всех установок
|
|
3
|
3,6-5,8
|
Слабый
|
Колеблются листья на деревьях,
развеваются флаги, на отдельных волнах барашки
|
Начинают вращаться тихоходные
колеса
|
Хорошие для тихоходных ветроколес
|
|
4
|
5,8-8,5
|
Умеренный
|
Колеблются тонкие ветки деревьев,
поднимается пыль и клочки бумаги, на воде много барашков
|
Начинают вращаться колеса аэрогенераторов
|
Хорошие для аэрогенераторов
|
|
5
|
8,5-11
|
Свежий
|
Начинают раскачиваться лиственные
деревья, все волны в барашках
|
Мощность ВЭУ достигает 30%
проектной
|
Хорошие
|
|
6
|
11-14
|
Сильный
|
Раскачиваются большие ветки
деревьев, гудят телефонные провода, пенятся гребни волн.
|
Мощность в расчетном диапазоне
близка к максимальн.
|
Приемлемы для прочных малогабаритных
установок
|
|
7
|
Крепкий
|
Все деревья раскачиваются, с
гребней волн срывается пена
|
Максимальная мощность
|
Предельно допустимые
|
|
8
|
17-21
|
Очень крепкий
|
Ломаются ветки деревьев,
трудно идти против ветра, с волн срываются клочья пены
|
Ряд ветроустановок начинает отключаться
|
Недопустимые
|
|
9
|
21-25
|
Шторм
|
Небольшие разрушения,
срываются дымовые трубы
|
Все установки отключаются
|
|
|
10
|
25-29
|
Сильный шторм
|
Значительные разрушения, деревья
вырываются с корнем
|
Предельные нагрузки
|
|
|
11
|
29-34
|
Жестокий шторм
|
Широко масштабные разрушения
|
Повреждение некоторых установок
|
|
|
12
|
Более 34
|
Ураган
|
Опустошительные разрушения
|
Серьезные повреждения, до
разрушения установок
|
|
По данным
американских фирм, разрабатывающих ветровые установки, расчетная стоимость 1
кВт мощности составляет 935 долларов для станции мощностью 500 кВт и 430
долларов для станции мощностью 1500 кВт, т. е. вполне приемлемые значения.
Однако следует учесть соображения о необходимости учета стоимости земельных и
экологических факторов, что может существенно изменить указанные величины.
Экономически приемлемой считается работа ветровой установки в течение примерно
2500 ч/год. Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5-6 кВт
экономически оправдано при скорости ветра 3,5 – 4,0 м/с. Для больших установок
требуется скорость ветра, равная 5,5 – 6,0 м/c. Сразу же
возникает вопрос, – что делать потребителю в то время, когда нет ветра или его
скорость недостаточна для обеспечения работы установки? В этом случае имеется несколько
возможностей. Одна из них – использование резервного источника энергии, в
частности подключение другой энергосистемы. Другой вариант предусматривает
работу ветровой установки с аккумулятором энергии.
Ветроустановки классифицируются по
следующим признакам:
-
положению ветроколеса относительно направления ветра;
-
геометрии ветроколеса;
-
по мощности ветроустановки.
В настоящее время технические
средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные
– с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения
ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой
турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.
Ветроколеса с горизонтальной
осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с
вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр,
ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами
(усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса,
усилители потока специальной конструкции.
Следует
отметить, что ветроколеса с вертикальной осью вращения, в отличие от таковых с
горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра,
однако их принципиальными недостатками являются большая подверженность
усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и
пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных
параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроагрегатов
выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние
проработки различных типов вертикально-осевых установок.
По мощности
ветроустановки делятся на: малой мощности – до 100 кВт, средней – от 100 до 500
кВт, и большой (мегаваттного класса) – 0,5-4 МВт и более.
Часто идет
речь о малой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема для
сельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителей
в неэлектрофицированных районах и т.п. Во многих странах налажено серийное
производство ветроустановок малой мощности. Например, в России НПО
"Ветроэн" серийно выпускает установки мощностью 4 кВт с диаметром
колеса 6 м. Следует отметить, что малая ветроэнергетика не требует больших
территорий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующие
условия.
Выбор
характеристик ветроколеса для ветроустановки в конкретных ветровых условиях
определяется целями, которые перед ней ставятся. Обычно это требование максимизации
производства энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива
тепловыми станциями единой энергосистемы, либо обеспечение производства
определенного минимума энергии даже при слабом ветре, чтобы, например, сохранить
работоспособность насосов системы водоснабжения.
Одной из
важнейших характеристик ветроколеса является его быстроходность, которая
зависит от трех основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности,
скорости ветра, угловой скорости вращения колеса.
Горизонтальные
ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное колесо обычно с 2-3
лопастями, которое вместе с капсулой агрегата с помощью автоматической системы
ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в
ряде стран осуществляется серийное производство таких ВЭУ с диаметром колеса
20-40 м и мощностью 100-500 кВт, построены опытные горизонтальные ВЭУ с
диаметром колеса до 70-100 м и мощностью 3-4 МВт.
Для
вертикальных ВЭУ не нужна система ориентации, что является их преимуществом,
однако, из-за присущих им недостатков они менее распространены и находятся в
стадии усовершенствования конструкции. В настоящее время в энергосистеме работают
ВЭУ мощностью до 500 кВт, пущена опытная ВЭУ с диаметром ротора 64 м, высотой
110 м, мощностью 4 МВт.
Следует
отметить, что, чтобы получить мощность ветроустановки, например 1 МВт,
требуется диаметр ветроколеса порядка 60 м. Отсюда и большая материалоемкость
ветроэнергетики. По удельной материалоемкости (металлоемкости) ветроустановки
на два порядка превышают тепловые энергоустановки равноценной мощности, что в
условиях всеобщего дефицита металла само по себе уже является большим недостатком
ВЭУ. А тенденция замены металлических конструкций на стеклопластиковые требует
экологического анализа последствий химических производств, предшествующих созданию
данных материалов.
Основным
недостатком ветроэнергетических станций является изъятие под их строительство
больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические
станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км2/МВт в
зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность,
которая может быть получена с км2 площади меняется в зависимости от
района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции.
Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт
потребуется площадь 70-200 км2, хотя частично эти земли могут
использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от
шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ
лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400-800 метров.
Наиболее
важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду – это акустическое воздействие.
Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические
(шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия,
которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными
(от 20 до нескольких кГц). Эти воздействия вызваны в основном вращением
рабочего колеса. Шумовой эффект в непосредственной близости ВЭС достигает 50-80
дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок
мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра
скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно
воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка
мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно
отключать в ночное время. Необходимо подчеркнуть, что помимо основных экологических
факторов воздействия ветроэнергетики на окружающую среду (блокировка земельных
территорий, шумовые эффекты, металлоемкость ветроустановок), они требуют предварительного
цикла добычи, переработки металлов, что оказывает косвенное влияние на
окружающую среду.
Размещение
ветровых парков влияет на миграцию птиц и рыб (для акваториальных ВЭС).
Наконец, серьезным негативным экологическим последствием использования энергии
ветра является то, что в местах работы ветряков значительно ослабевает сила
воздушных потоков, что может оказать влияние на климат, а также ограничить "проветривание"
близлежащих промышленных районов. Еще одной негативной чертой ветроустановок
являются производимые ими помехи для воздушного сообщения и для распространения
радио- и телеволн, а также оптическое загрязнение ими ландшафта, что приводит к
оттоку туристов из мест расположения ВЭС. Вследствие этого может сложиться
ситуация, когда ущерб от уменьшения количества туристов может превысить экономическую
выгоду от использования ВЭУ, что имеет место, например, в некоторых районах на
побережье ФРГ.
В странах
Западной Европы ветроэнергетика является приоритетным направлением государственной
энергетической политики. Для Беларуси ветроэнергетика не является абсолютным
новшеством. В нашей стране существуют серьезные научные разработки по данной
тематике, опытные производства и даже реализованные проекты.
Идеальные
места для "приручения" энергии ветра – это протяженные, продуваемые
со всех сторон равнины, расположенные на возвышенностях. Именно на таких
территориях среднегодовая скорость ветра превышает 5м\с, что обеспечивает
эффективную работу ветроэнергетических установок. Равнинные местности с высокой
скоростью ветра в Западных странах встречаются довольно часто. Но не стоит
забывать о том, что и Беларусь богата подобными территориями. По оценкам специалистов,
наиболее перспективными для развития ветроэнергетики в Беларуси являются
центральная и западная часть Минской области, а также Витебская возвышенность.
Более того, потенциал любой точки на территории Беларуси в отношении ее
перспективности или неперспективности для ветроэнергетики может быть определен
с помощью соответствующих расчетов, базирующихся на информации ветроэнергетического
атласа страны и специального банка данных. Вопросы окупаемости и экономической
эффективности ветроэнергетических установок – сфера, где еще не расставлены все
точки над "i". Если подходить к этой проблеме
глобально, учитывая перспективы постоянного удорожания энергетических ресурсов
и их грядущий дефицит, ветроэнергетическая техника однозначно является перспективным
вложением средств. Однако в нашей стране как-то не принято строить долгосрочные
планы и активно развивать направления науки и техники, противоречащие
традиционному мышлению.
Да и
стоимость ветроэнергетических установок не так уж и мала. Цена установки
мощностью 100-500 кВт составляет примерно 800 – 1000 долларов (не считая
затрат на монтаж и эксплуатацию). Отечественные сторонники ветроэнергетической
концепции считают, что окупаемость таких систем не превышает 4 лет.
Одна из
первых ветроэнергетических установок в стране находится на выезде из Минска в
могилевском направлении. Она была разработана минской фирмой "Аэролла".
Другая ветроустановка, разработанная НПГП "Ветромаш", работает в
Заславле, который практически является плацдармом для отработки новых решений
по энергосбережению в Беларуси. В поселке Занарочь подготовлена площадка для
установки ветростанции. И, наконец, в качестве положительного примера в области
энергосбережения не недавно проходившей итоговой коллегии Минжилкоммунхоза было
названо сооружение ветровой установки в Городке. Здесь такая система вырабатывает
энергию на случай аварийного выхода из строя обычных систем энергообеспечения.
Все эти
пилотные проекты свидетельствуют о том, что в Беларуси для внедрения концепции
ветроэнергетики на практике есть не только бесплатный ветер и благоприятные климатические
предпосылки, но и люди, которые понимают, что лучше заботиться о будущем сегодня,
чем обречь своих детей на бесперспективное завтра.
Литература:
1.
"Энергия", / Под ред. Д. Дэвинса, М.:
Энергоатомиздат, 1985.
2.
"Нетрадиционные возобновляемые источники энергии",
/ В. А. Брылева, Л. Б. Воробьева, Мн., 1996.
3.
"Тысячелетие энергетики", / Карцев В.,
Хазановский П., М. 1984.
4.
Белорусская Деловая Газета, № 727 от 01/03/2000.