Использование энергии ветра

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии при помощи ветроэнергетических установок.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) обеспечивают преобразование энергии ветрового потока в механическую энергию вращающего ветроколеса, а затем в электрическую энергию. В настоящее время применяются две основные конструкции ветрогенераторов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели (Рис. 12).

Основные компоненты установок обоих типов:

- Ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна, для автономных систем с выпрямителем и инвертором – переменная;

- Мультипликатор –промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

- Башня(ее иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;

- Основание (фундамент), предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Кроме того, для защиты от поломок почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину, а для целей обслуживания оснащаются тормозным устройством [22].

                     А                                                        б

Рис. 12. а) горизонтально-осевой ветродвигатель; б) вертикально-осевой ветродвигатель

Несмотря на то, что ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения имеют более высокий КПД, у них есть один существенный недостаток - одни долго «думают», прежде чем развернуть свои лопасти «на ветер», направление которого меняется каждую секунду. То есть реально они вырабатывают меньшее количество энергии, чем это указано в паспорте, так как в момент разворота их производительность заметно падает. Установки с вертикальной осью вращения всегда находятся «по ветру» и необходимость их ориентирования отсутствует. Таким образом, оба типа ВЭУ имеют примерно равную производительность, однако благодаря традициям, сложившимся за годы развития ветроэнергетики, наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа [23,24].

Спектр единичных мощностей выпускаемых ветроустановок в мире весьма широк: от нескольких сот Вт до 2-4 МВт. Малые ВЭУ (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, и сферы их использования во многом совпадают с фотопреобразователями. Крупные ветроустановки (мощностью более 100 кВт), как правило, - сетевые, то есть предназначены для работы на электрическую сеть.

Удельная стоимость крупных ВЭУ сегодня лежит в интервале 800-1000$/кВт, а малых ВЭУ, как правило, выше и увеличивается с уменьшением мощности, достигая величины 3000 $/кВт для установок мощностью от нескольких сот Вт до 1 кВт.

Автономная система энергоснабжения. Принцип работы автономной установки состоит в следующем (Рис.13): при наличии ветра ротор, состоящий из лопастей, закрепленных между кольцами, вращается и приводит в движение генератор, который с помощью электронного регулятора (контроллера) вырабатывает постоянный электрический ток напряжением 48 вольт, поступающий на аккумуляторные батареи (АКБ). Проходя по аккумуляторам, он одновременно подзаряжает их и использует в качестве проводников электричества. Далее постоянный ток с помощью инвертора преобразуется в переменный ток с напряжением 220 В и поступает непосредственно к потребителю. В безветренную погоду или при небольших скоростях ветра недостаток электроэнергии покрывается за счет АКБ, которые включены параллельно с кабелем выхода генератора и подпитывают инвертор.

Рис. 13. Автономная система энергоснабжения (с аккумуляторами)

Выработка электроэнергии для большинства современных установок начинается при скорости ветра около 4 м/сек.

Гибридная система энергоснабжения. Гибридная энергосистема подразумевает использование ВЭУ совместно с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули, микро-ГЭС и т.п.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду.

Ветро-дизельные системы.  Ветро-дизельная система состоит из ВЭУ и дизель-электрической системы (ДЭС) с оптимально подобранными мощностями. Обычно дизель-генератор используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является экономия дизельного топлива, стоимость которого с учетом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра.

Режим одновременной параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе по мощности не должна превышать 15-20 % от мощности дизель-генератора. Такие режимы можно использовать для экономии топлива в гибридных установках большой мощности.

Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50-60% и более. Однако, в этом случае неизбежно усложнение системы за счет необходимости введения системы управления, инвертного оборудования и АКБ. При этом система работает по принципу автономной, только в периоды ветрового затишья, когда заряд АКБ падает ниже определенного уровня, для обеспечения потребителей энергией автоматически (или вручную) запускается дизель-генератор. Такой режим значительно снижает количество запусков дизель-генератора и, следовательно, ведет к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы.

Использование современной ветро-дизельной системы, при должном внимании к проведению текущего обслуживания, может быть экономически очень эффективным при наличии достаточных ветровых ресурсов в местности, где установлен ветроагрегат.

Ветро-солнечные системы. Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость фотоэлектрических батарей (ФБ), их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть достаточно эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя.

Использование ветроустановок совместно с микро-ГЭС. ВЭУ могут использоваться в комбинации с микро-ГЭС, имеющими резервуар для воды. В таких системах при наличии ветра ветроагрегат питает нагрузку, а излишки энергии используются для закачивания воды с нижнего бьефа на верхний. В периоды ветрового затишья энергия вырабатывается микро-ГЭС. Подобные схемы особенно эффективны при малых ресурсах гидроэнергии.

Экологические аспекты ветроэнергетики. Неблагоприятные воздействия ветроэнергетики на окружающую среду:
- Отчуждение земельных площадей. При этом ВЭУ занимают всего 1% всей территории ветропарка, а на 99 % его площади вполне возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что широко распространено в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землей, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни установки;
- Шумовые воздействия, которые подразделяются на две разновидности: механические – шум от работы механических и электрических компонентов (у современных ВЭУ практически отсутствует) и аэродинамические – шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки. Данная проблема может быть решена удалением ВЭС от населенных пунктов и мест отдыха;
- Низкочастотные колебания, которые передаются через почву и вызывают ощутимую вибрацию стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса. Но так как минимальное расстояние от установки до жилой застройки должно составлять не менее 300 м, то вклад ВЭУ в инфразвуковые колебания не выделяется из фона;
- Поражение животных и птиц ветровыми турбинами;
- Визуальное воздействие, которое в основном проявляется в неприятии людьми изменений в ландшафте из-за появления одной или нескольких установок. Ветроагрегаты обычно располагаются на площадках, обеспечивающих коммерческую доходность (то есть на открытых местах), поэтому они заметны. Реакция на вид ВЭУ очень субъективна – одни воспринимают их положительно, как символ чистой энергии, в то время как другие находят их нежелательным добавлением к пейзажу. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов;
- Электро-, радио- и телевизионные помехи, вызванные металлическими сооружениями ветроустановки, особенно элементами в лопастях. Чем она крупнее, тем большие помехи может создавать. Наиболее радикальный способ их уменьшения – удаление ветрового парка на соответствующее расстояние от коммуникаций. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.