Ветровые электростанции

Ветровая энергия продолжительное время использовалась в мореплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. Сравнительно недавно она начала использоваться для выработки электроэнергии. Большинство ветроэнергетических установок имеет мощность несколько киловатт, и используются они в отдаленных местах, например на морских маяках.

Со времени энергетического кризиса 1973–1974 гг. в развитие ветровой энергетики были вложены значительные средства. Было построено несколько экспериментальных установок разной конструкции. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, все еще высока по сравнению с электроэнергией, получаемой на базе органического топлива. Кроме того, выявились некоторые характерные для этого источника первичной энергии недостатки. Тем не менее, ветровую энергию следует рассматривать как энергетический ресурс.

Ветровые электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Для ветряных турбин с горизонтальной осью вращения он должен превышать 4-5 м/с, если мощность турбин более 200 кВт, или 2-3 м/с, если их мощность менее 100 кВт.

Ветровая турбина обычно состоит из башни высотой не менее 6 м, на вершине которой располагается кабина с электрогенератором и редуктором, к оси которого прикреплены лопасти ветровой турбины. Кабина с машинным отделением поворачивается в зависимости от направления ветра, используя электрический мотор или сам ветер. У классических ветровых установок – 3 лопасти, закреплённых на роторе. Вращаясь, ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на контроллер, далее ток преобразуется в постоянное напряжение и подаётся на аккумуляторную батарею. Ток проходя по аккумуляторам одновременно и подзаряжает их и использует АКБ как проводники электричества. Далее ток подаётся на инвертор, где приводиться в привычные показатели: переменный однофазный ток 220В, 50 Гц (рис. 4.7).

Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и кубу скорости ветра (обычно небольшой). В этой связи и в связи с тем, что плотность воздуха в 846 раз ниже плотности воды, ветроэнергетические установки большой мощности (в МВт-ом диапазоне) должны быть по своим габаритам очень крупными по сравнению с гидротурбинами.

Рис. 4.7. Ветровая турбина

Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоянно меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. Для преодоления этого недостатка ветровая электростанция должна иметь аккумуляторы электроэнергии, что и делается для ветроэлектрических установок небольшой мощности, или она должна быть присоединена к энергосистеме.

К сожалению, удобного, эффективного и экономичного способа запасать электроэнергию в большом количестве еще нет. Кроме идеи, реализуемой в ГАЭС, были выдвинуты предложения по использованию получаемой в часы внепиковой части графика нагрузки электроэнергии для электролиза воды и создания запаса получаемого таким образом водорода и кислорода с тем, чтобы потом использовать реакцию соединения этих газов в топливном элементе для производства электроэнергии. Развитие этой технологии находится в начальной стадии, но, возможно, в будущем она станет экономически приемлемой.

Развитие системной ветроэнергетики в мире началось в начале 70-х годов. Наибольшая доля (до 3 %) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Строительство современных ВЭС началось здесь в конце 70-х годов. А вначале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдается особенно интенсивный рост ВЭС. Принятие здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную обстановку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству электроэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так в ЕС поставили цель вырабатывать в 2005 г. 8 тыс МВт ветровой электроэнергии, что составляет 1 % потребностей ЕС в электроэнергии. Дания, Германия и Нидерланды должны довести к этому времени выработку электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт.

Стоимость ветровой энергии снижается на 15 % в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, а главное – имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5 % в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время превышают 25 % в год. Использования энергии ветра в различных государствах набирает силу, что находит подтверждение в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Развитие ветроэнергетики в странах мира

Средняя единичная мощность эксплуатируемых в мире ВЭУ составляет ~140 кВт. Примерно до середины 80-х годов ветроэлектростанции создавались на базе ВЭУ единичной мощностью менее 100 кВт. С середины 80-х годов стали внедряться ВЭУ мощностью 100–300 кВт, а к концу 80-х – и ВЭУ 600–700 кВт. На данном этапе на базе накопленного опыта создаются для серийного производства новые модели ВЭУ мощностью 500–1500 кВт. Сейчас достигнута единичная мощность серийного горизонтально-осевого агрегата до 2,5 МВт. Создан прототип ветрогенератора мощностью 4,5 МВт с диаметром ветроколеса 112 м.

Практически весь мировой парк ВЭУ состоит из крыльчатых установок. Работы по другим видам ВЭУ, а также по крыльчатым ВЭУ предельной мощности проводятся, однако широкого развития они не получили и перспективы их использования не ясны. Таким образом, к настоящему времени мировая системная ветроэнергетика превратилась в отрасль электроэнергетики, вносящую в отдельных странах ощутимую долю в производстве электроэнергии.

В России наиболее перспективные зоны для использования энергии ветра находятся на прибрежной полосе шириной 50–100 км вдоль морей Северного Ледовитого океана, в отдельных прибрежных районах Дальнего Востока, в районах Балтийского, Черного и Каспийского морей. В указанных зонах среднегодовая скорость ветра равна 5–6 м/с и более.

Практическое развитие ветроэнергетики в России находится на самом начальном этапе. Разрабатываются и создаются несколько моделей крыльчатых ВЭУ мощностью 250–300 кВт, одна модель крыльчатой ВЭУ мощностью 1000 кВт и модель ВЭУ с вертикальной осью вращения мощностью 1250 кВт. В 1991–1992 гг. смонтированы две ВЭУ АВЭ-250 на полигонах в поселке Дубки (Чиркейская ГЭС, Дагестан) и в Иван-городе (Ленинградская обл.), и одна – на полигоне НПО «Ветроэн» в Геленджике.

В 1993 г. АО «Комиэнерго» и НПО «Ветроэн» смонтирован АВЭ-250 в г. Воркуте.

В 1993 г. в Новороссийске построена опытно-экспериментальная ВЭУ ГП-250. Однако после первых испытаний ВЭУ отправлена на завод для доработки и дополнительных стендовых испытаний.

В 1994 г. на опытно-экспериментальной Калмыцкой ВЭС смонтирована первая установка мощностью 1000 кВт.

В системе РАО «ЕЭС России» в настоящее время в стадии строительства находятся три ВЭС:

1) экспериментальная база нетрадиционной энергетики мощностью 5МВт (поселок Дубки, Чиркейская ГЭС, Дагэнерго);

2) Заполярная ВЭС мощностью 8 Мвт (г. Воркута, Комиэнерго);

3) Калмыцкая ВЭС мощностью 22 МВт (Калмэнерго);

Проектируются семь ВЭС: Магаданская 50 МВт (Магаданэнерго), Дагестанская 6 МВт (Дагэнерго), Ленинградская 25 МВт (Ленэнерго), Приморская 30 МВт (Дальэнерго), Морская 30 МВт (Карелэнерго), Но-вороссийская 2 МВт (Краснодарэнерго), Западно-Приморская 30 МВт (Янтарьэнерго).

Крупномасштабное применение ветроэнергетических установок на каком-то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения в данном районе. Например, отбор существенной части ветровой энергии при типовом шторме в районе Среднего Запада США (примерно 4∙10¹² Дж), возможно, сократил бы периодичность сильных штормов в этих широтах и силу их ветра. Разумеется, в этом есть положительная сторона. С другой стороны, остальные особенности климата на Среднем Западе могут зависеть от штормовых ветров в той форме, в которой они сейчас существуют. Снижение силы штормовых ветров могло бы изменить режим выпадения осадков до такой степени, что некоторые территории в восточных районах Среднего Запада США могли бы стать непригодными для сельского хозяйства, а для остальных районов могла бы стать необходимой ирригация, как на Дальнем Западе страны. Взаимодействие различных атмосферных явлений является очень сложным процессом и до конца не изучено. Любые крупномасштабные изменения природных явлений на Земле необходимо осуществлять осторожно и с полным учетом того, какие последствия для окружающей среды они за собой повлекут.

Обобщая, можно заключить, что ветровая энергия полезна в качестве дополнительного источника для производства электроэнергии, но в ближайшее время она будет находить лишь ограниченное применение.

Научно-технический прогресс, особенно в области аккумулирования электроэнергии, может изменить ситуацию, но тогда нужно будет оценивать взаимосвязь крупномасштабного отбора энергии ветра с возможными климатическими изменениями.