План
Вступ
1.Історія виникнення та розвитку вітроенергетики
2.Вітровий потенціал України. Перспективи розвитку української вітроенергетики
3.Енергія вітру
4.Вітроенергетичні установки (ВЕУ)
5.Побутові вітрові електростанції
6.Вітрові електростанції нового типу
7.Недоліки вітроенергетики
Висновки
Списоквикористаної літератури
Вступ
Усі енергетичні ресурси на Землі, що єпродуктами безперервної діяльності Сонця, можуть бути поділені на дві основнігрупи:
1) акумульовані природою й, у більшостівипадків, непоновлювані (нафта, кам'яне та буре вугілля, сланці, торф і підземнігази, а також термоядерна і ядерна енергія);
2) неакумульовані, але постійно поновлювані(сонячне випромінювання, вітер, потоки рік, морські хвилі та припливи,внутрішнє тепло Землі).
Таблиця1. Потенціальні запаси джерел енергії на ЗемліВиди енергії Запаси енергії Непоновлювані ( кВт · год ) 1. Термоядерна eнергія 1 00000000 · 1012 2. Ядерна енергія 574000·1012 3. Енергія паливних копалин 55364·1012 Поновлювані (кВт ·год/рік ) 1. Енергія сонячних променів 667800·1012 2. Енергія морів і океанів 70000·1012 З. Енергія вітру 17369·1012 4. Енергія внутрішнього тепла Землі 134 ·1012 5. Енергія річок 18 ·1012
Поновлюваними джерелами енергіїназиваються ресурси енергії, що постійно циклічно поновлюють енергетичнуцінність і можуть бути перетворені на корисну роботу. Іншими словами,поновлювані джерела енергії поновлюються постійно, без часових обмежень, тодіяк використання традиційних палив обмежене наявними запасами. Перевагипоновлюваних джерел енергії порівняно з традиційними є:
- вони практично невичерпними;
- не забруднюється навколишнє середовище;
- відпадає необхідність у добуванні,переробці та доставці палива;
- немає потреби використовувати воду дляохолодження, вилучати залові відходи або продукти розпаду;
- немає необхідності у дефіцитнихвисокотемпературних матеріалах, за винятком сонячних концентраторів тепла;
- можуть працювати без обслуговування;
- немає потреби в транспортуванні енергії.
Основним недоліком більшостіпоновлюваних джерел енергії є непостійність їхнього енергетичного потенціалу.
Необхідність використання поновлюванихджерел енергії визначається такими факторами:
- швидким зростанням потреби в електричнійенергії, споживання якої через 50 років, за деякими оцінками, зросте всередньому в 3-4 рази, а в розвинутих країнах — в 5-6разів;
- вичерпуванням у найближчому майбутньомурозвіданих запасів органічного палива;
- забрудненням навколишнього середовищаоксидами азоту та сірки, вуглекислим газом, пилоподібними останками відзгорання видобувного палива, радіоактивним забрудненням і тепловим перегрівомпри використанні ядерного палива. Необхідність і можливість розвитку енергетикиУкраїни на базі поновлюваних джерел зумовлені такими причинами:
- дефіцитом традиційних для Українипаливно-енергетичних ресурсів;
- дисбалансом у розвитку енергетичногокомплексу України, орієнтованого на значне виробництво електроенергії наатомних електростанціях (до 25-30%) за фактичної відсутності виробництв 1отримання ядерного палива, утилізації та переробки відходів, а також виробництвз модернізації обладнання діючих АЕС (ядерних реакторів, котельного обладнаннятощо);
- сприятливими клімато-метеорологічнимиумовами для використання основних видів поновлюваних джерел енергії;
- наявністю промислової бази, придатноїдля виробництва практично всіх видів обладнання для поновлюваної енергетики.
Ресурси поновлюваних джерел енергії вУкраїні, їхній енергетичний потенціал, обсяги використання наведені в таблиці2.
Таблиця2. Ресурси поновлюваних джерел енергії УкраїниДжерела енергії Теоретичний потенціал, МВт·год/рік Використання, МВт·год/рік Технічний потенціал, МВт·год/рік Геліоенергетика 720·109 81·103 0,13·109 Вітроенергетика 965·109 0,8·103 0,36·109 Геотермальна енергетика 5128·109 0,4·103 14·109 Біоенергетика 12,5·106 0,014·103 6,1·106 Мала гідроенергетика 17,4·106 0,5·106 6,4·106
напрям потенціал розвиток вітроенергетика
1.Історія виникнення та розвитку вітроенергетики
Сила вітру – це одне з найстародавнішихвикористовуваних людством джерел енергії. Мореплавці використовували силу вітрудля морських подорожей під вітрилами ще за 3500 років до нової ери. Простівітряки були широко поширені в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, вПерсії, близько 200 року до н.е. почали використовуватися вітряки звертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші персидські вітрякивиготовлялися з в'язанок очерету, які прикріплялися до дерев'яної рами, щооберталася, коли дув вітер; стіна навколо вітряка спрямовувала потік вітрупроти лопатей.
В XI столітті в Європі почалипоширюватися вітряки, що завозилися мандрівними купцями та лицарями з хрестовихпоходів. Ці перші млини постійно вдосконалювалися, спочатку голландцями, потіманглійцями, і врешті набули конструкції з горизонтальною віссю. ЖителіГолландії виявили, що вітром дуже зручно користуватися для відкачування води,щоб осушити землю, що для цієї країни, яка розташована в низинах і томупотерпає від повеней, є дуже актуальним. Найбільш активно в допромисловійЄвропі вітряки використовувались у XVІІІ столітті, коли лише в одній Голландіїїх було понад сто тисяч. З їхньою допомогою мололи зерно, качали воду й пилялидрова. Згодом більшість вітряків, нездатних конкурувати з дешевим і надійнимвикопним паливом, було замінено паровими двигунами. Однак і сьогодні вітрякивикористовуються досить широко.
В історії Сполучених Штатів вітрякивідіграли дуже важливу роль в освоєнні Заходу Америки наприкінці XIX століття.Вони були життєво необхідні першим поселенцям Великих рівнин. Вітрякипоставляли воду на залізницю та пасовища, в місця, віддалені від рік і джерелводи. Пізніше вітряки стали використовувати у віддалених від населених пунктівгосподарствах для вироблення електричної енергії. За останні 100 роківамериканці створили понад 8 мільйонів вітрових установок для водопідняття,призначених у більшості випадків для пасовищ і худоби.
У старих вітряків лопаті булидерев'яними і могли використовувати близько 7% енергії вітру. Завдякиноваторській праці Томас Перги, який наприкінці XIX століття провів близько5000 експериментів з різними видами «колеса» (тобто ротора),дерев'яні лопаті поступилися місцем лопатям з вигнутого металу, що збільшилоефективність установок вдвічі – до 15%.
Використовували енергію вітру з давніхчасів і в Україні. 1917 року тут було близько 30 тисяч вітряків, потужністьяких становила близько 200 тис. кВт.
Перша в Радянському Союзівітроелектростанція потужністю 8 кВт була побудована в 1929-1930 р. біляКурська, згідно проекту інженерів А. Г. Уфімцева і В. П. Ветчинкіна. Через рікв Криму була побудована велика ВЕС потужністю 100 кВт., яка була для тої епохинайбільшою вітроелектростанцією в світі. Вона успішно проробила 1942 р., втім вепоху війни була зруйнована. Разом з цим широко використовувалися невеликівітрогенератори, потужністю до декількох кіловат. Річне виробництвовітродвигунів потужністю до 5 кВт на Херсонському заводі сільськогосподарськихмашин досягало 2 тисяч в рік. Взагалі ж в 30-х роках розвитку вітроенергетики вРадянському Союзі приділялася значна увага, досліджувалися і розроблялися новітипи вітродвигунів. Але в 40-х роках навчилися використовувати атомну енергію,в 1954 році під Москвою була побудована перша в світі атомна електростанція, ів цій ейфорії нових можливостей про використання енергії вітру забули на 40років.
В кінці 80-х років, в умовах післяЧорнобильської катастрофи і одночасно наростаючої енергетичної кризи, зростаєстатус вітроенергетики в світі як екологічно чистого джерела енергії. ВРадянському Союзі оновилися роботи над створенням ефективних вітрогенераторівпотужністю 30, 60, 100, 250, 1000 і навіть 1500 кВт. У 1986 році під Києвомбула споруджена перша експериментальна ВЕС потужністю 160 кВт. У 90-х рокахпланувалося будівництво ряду вітроелектростанцій поблизу Ленінграда (25 мВт), вКазахстані (15 мВт), Криму (12,5 мВт), Дагестані (6 мВт), однак після розвалуСРСР ці плани не реалізувалися.
Значні успіхи в створенні ВЕС булидосягнуті і за кордоном. У багатьох країнах Західної Європи побудовані доситьвеликі установки в 100-200 кВт. У Франції, Данії і в деяких інших країнах буливведені в експлуатацію ВЕС із номінальними потужностями понад 1 МВт.
Найширший розвиток вітроенергетикаотримала в США. Ще в 1941 р. там була побудована перша ВЕС потужністю 1250 кВт.У 1978 р. в США була створена перша експериментальна ВЕУ мегаватного класу зрозрахунковою потужністю 2 МВт. Услід за цим в 1979-1982 р. в США побудовані івипробувані 5 ВЕУ, потужністю 2,5 МВт. Найбільша для того часу ВЕУ «Гровіан»потужністю 3 МВт була побудована в Німеччині в 1984 р., але, на жаль, вонавиконала лише декілька сотень годин. Побудовані трохи пізніше в Швеції ВЕУWts-3 і Wts-4 потужністю 5 і 4 МВт були встановлені в Швеції і США і проробили20 і 10 тис. годин відповідно.
У Канаді ведуться роботи згідностворення великих вітрових установок із вертикальною віссю (ротор Дарині). Однатака вітроустановка потужністю 4 МВт проходить випробування з 1987 р. Протягом1993-2001 р. в світі було побудовано близько 25 ВЕУ класу «мегават».
Сьогодні в деяких промислово розвиненихкраїнах потужність вітроелектростанцій досягає помітних значень. Так, в СШАвиробляється більше 1,5 млн. кВт. вітрові електростанції, в Данії виробляютьблизько 3% спожитої країною енергії; найбільша потужність ВЕУ в Швеції,Нідерландах, Великобританії і Німеччині.
У міру вдосконалення обладнання ВЕУ і наростанняобсягу їх випуску вартість ВЕУ, а отже і вартість виробленої нимиелектроенергії знижуються. Якщо в 1981 р. вартість електроенергії виробленоїВЕУ, складала приблизно 30 американських центів за 1 кВт/год, то нині вонаскладає 6-8 центів. З урахуванням того, що лише в 2001 р. в США велися роботина чотирьох великих вітрових фермах із спільною потужністю приблизно 200 МВт,стає ясно, яке плановане Департаментом Енергетики США зниження вартостівітрової електроенергії.
У багатьох розвинених країнах існуютьДержавні програми розвитку поновлюваних джерел енергії, в тому числі івітроенергетики. Завдяки цим програмам фінансуються науково-технічні,енергетичні, екологічні, соціальні і освітні програми. Генераторами проектівпоновлюваних джерел енергії в Європі є дослідницькі центри (Riso, SERI (у данийчас NREL), Sandia ecn, TNO, NLR, FFA, D(FV) LR, CIEMAT і ін.), університети ізацікавлені компанії.
У 1994 році в Мадриді для конференції«Генеральний привід розвитку поновлюваних джерел енергії в Європі» країнамиЄвропейського Союзу була прийнята декларація. У ній були сформульовані цілізгідно досягненню 15% рівня використання поновлюваних джерел енергії вспільному вжитку енергії в країнах Європейського Союзу до 2010 р. У 1994 р. вкраїнах Європейського Союзу встановлені потужні сонячні батареї, мінігідроелектростанції і вітроенергетичні установки.
Поставлені цілі досягаються вирішеннямзадач в області політики, пільгового податкового законодавства, державноїфінансової підтримки внаслідок науково-технічних програм, пільговогокредитування, створення інформаційної мережі, системи освіти, стажувань,просування високих технологій, створення робочих місць для виробництвах.
Прогноз складений на підставі аналізутемпів приросту встановленої потужності різних видів поновлюваних джереленергії в країнах Європейського Союзу. Частка вітрової енергії досить бутизгідно песимістичній оцінці 15%, згідно оптимістичній оцінці 16%.
Найбільш ефективними згідно нарощуваннюсумарних потужностей вітростанцій є програми країн Європи, Китаї, Індії, США,Канади.
Щорічна потужність встановленихвітростанцій в країнах Європи складає 400 МВт. Більше 10 найбільших банківЄвропи інвестують вітроенергетичну індустрію. Більше 20 великих Європейськихприватних інвесторів фінансують вітроенергетику.
2. Вітровий потенціал України. Перспективирозвитку української вітроенергетики
Україна здатна ефективно використовуватиенергію вітру в окремих зонах при середньорічній швидкості вітру понад 4-5 м/с.Такі швидкості, достатні для будівництва ВЕС мають: Хмельницька і Волинськаобласті, Азово-Чорноморське узбережжя (Донецька і Херсонська), зони наКіровоградщині та Дніпропетровщині, вітрові зони в Харківській області, Криму(Керченський і Тарханкутський півострови, окрайка Ай-Петринської яйли, повернутадо Чорного моря), Карпатах.
До речі, реальний вітропотенціал Українивдалося встановити завдяки дослідженням інститутів НАНУ. Складений навітьпрогноз підвищення цього потенціалу на території країни, який цілкомпідтверджує доцільність розпочатої програми будівництва ВЕС.
У світі Україна займає 14 місце завстановленою потужністю вітроагрегатів. Тоді як Росія — лише 34-те. У перелікувітроагрегатів, що використовуються в Росії, залежно від їхніх споживчихякостей перше місце займають агрегат USW 56-100 (виготовляється на Південномумашинобудівному заводі (ПМЗ)) і АВЕ-250С (спільна українсько-російськарозробка, виробництво — ПМЗ). Росія поки що не поспішає будувати ВЕС загрегатами більшої потужності, і для цього існує ряд об'єктивних причин.
Україна також іде поетапним шляхом.Спочатку було налагоджено серійне виробництво USW 56-100 (максимальнапотужність 107,5 Квт.). У США таких експлуатується кілька тисяч. При серійномувиробництві на ПМЗ розроблена і впроваджена нормативна база щодо вітроенергетики,впроваджені нові для країни технології. Набуто практичного досвіду будівництваВЕС. За час експлуатації USW 56-100 в Україні складена реальна карта їївітропотенціалу. Справді не буває поганих вітроагрегатів, бувають неправильновибрані ділянки вітрополя.
Усі без винятку українські ВЕС(Донузлавська, Сакська, Новоазовська, Тарханкутська, Трускавецька) оснащуютьсяліцензійними вітроагрегатами, виготовленими Південним машинобудівним заводом, іперебувають на етапі будівництва. На цьому ліцензійному обладнанні досягнутавартість виробництва вітрової електроенергії на світовому рівні — чотири центиза кіловат. Жодна інша електростанція (ГЕС, ТЕС, АЕС) не виробляєелектроенергії до повного завершення будівництва, позаяк рентабельність іприбутковість досягаються лише при експлуатації 100 відсотків їхньої проектноїпотужності. До того ж у вартість виробництва електроенергії на ГЕС, ТЕС, АЕС невходять затрати, пов'язані з затопленням заплав річок, витрати на утилізаціюзоли, збереження і переробку ядерних відходів.
Середньорічна швидкість вітру вприземному шарі на території України досить низька – 4,3 м/с. Багатовітрогенераторів починають виробляти промисловий струм починаючи з швидкостівітру 5 м/с. Якщо враховувати, що вони можуть використовувати енергію вітру довисоти 50 м (на деякій висоті від поверхні швидкість вітру зростає), тоенергетичний потенціал на території України складає гігантську величину — 330млрд. кВт і перевищує встановлену потужність електростанцій України в 6 тисячразів. Зрозуміло, ніхто не допускає думки про спроможність його цілковитоговикористання, та все одно ця величина вражає. Хоча, слід зазначити, що цеорієнтовні розрахункові дані, оскільки прямі вимірювання швидкості вітру нависотах вище за щоглу флюгера поодинокі.
Вітрові умови району щодо використаннявітру визначаються вітроенергетичним кадастром, який включає різні показникишвидкості вітру, обумовлені результатами багатолітніх спостережень:середньорічні і середньомісячні швидкості вітру; повторюваність швидкості вітровихнапрямів протягом року, місяця, доби. За оцінками експертів, Україна має щевеликий вітропотенціал (за оптимістичним прогнозом, до 1000 млн кВт).Комплексна програма розвитку вітроенергетики України, яка зараз реалізується,передбачає потужність вітроелектростанцій (ВЕС) – 16 млн кВт, зокрема взахідному реґіоні – 3 млн кВт. Сьогодні потужність ВЕС в Україні складає меншеніж 50 МВт, тоді як загальна потужність усіх електростанцій – 54 млн кВт – утисячу разів більша. Проте, за словами голови спостережної ради ВАТ «Львівобленерго»Ярослава Шпака, «в перспективі ми можемо мати значно більшу частку ВЕС венергетичній системі України».
Держави світу, які сьогодні активнорозвивають вітроенергетику, перейшли на потужності окремих генераторів від 1000до 3 000 кВт, які мають коефіцієнт корисної дії близько 30% і більше. Натомістьв Україні використовують генератори меншої потужності й менш ефективні.Розрахунки показують, що капіталовкладення на 1 кВт потужності за умовизакупівлі імпортних машин – 1500 євро. Якщо налагодити їх виготовлення вУкраїні, то ця цифра зменшиться до 1100 євро. За таких умов середнясобівартість виробленої електроенергії на вітроагрегатах буде коливатися від1,7 до 2,0 цента, що є достатньою привабливою величиною. За терміну окупності30 років електроенергію ВЕС можна продавати по 3 центи за кВт/годину. Проте,якщо термін окупності зменшити до 10 років, то ціну на електроенергію требазбільшити до 6 і більше центів, та й то у разі, коли кошти на будівництвовдасться залучити за нульовою річною ставкою. За 10% кредитів для окупності за10 років тариф становитиме 7 центів за кВт/год і більше. До речі, в Німеччиніновозбудовані вітроелектростанції продають електроенергію по 8,5 цента.
На думку голови спостережної ради ВАТ «Львівобленерго»Ярослава Шпака, вітроенергетику слід розвивати за розробленою програмою –будівництво ВЕС, які виробляються в Україні, незалежно, власної розробки чиліцензійної, та освоєння нових типів розробок потужністю 1500, 2000 кВт.Паралельно з цим, за рахунок централізованого фонду розвитку електроенергетики(сьогодні спеціальний фонд Держбюджету) треба виділити суму до 10 млн євро нарік для фінансування (до 30%) разом з комерційними кредитами будівництвапілотних ВЕС потужністю до 5 МВт зі зразків імпортного обладнання потужністю1500, 2500, 3000 кВт в різних зонах України для освоєння різних видіввітроустановок і оцінки ефективності їх роботи. Масове будівництво ВЕС вУкраїні, за словами Шпака, слід розпочинати з 2020 року.
Львівська область має добрі перспективирозвитку вітроенергетики. У гірській частині середньорічна швидкість вітру нависоті 10 м становить 5,5-6 м/с; технічно досяжний потенціал вітру на висоті 30м – 620 кВт / год / кв. м, на висоті 100 м – 1150 кВт / год. / кв. м. Цепідтверджує також робота збудованої 1997 року Трускавецької вітроелектростанціїна горі Бухів (Східницька ВЕС) потужністю 750. Перспективними вважають такожрівнинні території Яворівського, Мостиського та Золочівського районів(середньорічна швидкість вітру на висоті 10 м – 4,5 м / с). Перспективнимипланами використання відновлювальних та нетрадиційних джерел енергії наЛьвівщині до 2020 року передбачається будівництво вітрових електростанційзагальною потужністю 400 МВт.
Щодо територій, на яких будівництво ВЕСмало б найбільшу ефективність, то це райони Орівського гірського хребта(Сколівський район) – 25...30 МВт, села Рибник (Дрогобицький район) – 4 МВт,села Опака (Дрогобицький район) – 6 МВт, села Ісаї (Турківський район) – 14МВт, села Явора (Турківський район) – 35 МВт, Оровий та Верхній Оровий хребти(Старосамбірський район) – 65 МВт, а також пагорби в Золочівському районі.
3. Енергія вітру
Енергія вітру вічно поновлювана йневичерпна, поки гріє Сонце. Вітер утворюється на землі в результатінерівномірного нагрівання її поверхні Сонцем.
Повітря над водною поверхнею впродовжсвітлої частини доби залишається порівняно холодним, оскільки енергія сонячноговипромінювання витрачається на випаровування води та поглинається нею. Надсушею повітря нагрівається завдяки тому, що вона поглинає сонячну енергіюменше, ніж поверхня води. Нагріте повітря розширюється і піднімається вгору, айого заміняє холодне повітря від поверхні води. Вночі суша охолоджуєтьсяшвидше, ніж вода, і температура над водою буде вище, ніж над сушею. Тому вітриміняють свій напрямок, і холодне повітря суші витісняє нагріте повітря водноїповерхні.
Аналогічно відбуваються зміни напрямкувітрів у гірській місцевості, де протягом дня тепле повітря піднімається вздовжсхилів, а вночі холодне повітря спускається в долини.
Повітря циркулює й внаслідок обертанняЗемлі: рух відбувається в напрямку, протилежному напрямку руху годинниковоїстрілки в північній півкулі, та за напрямком руху годинникової стрілки – впівденній.
Вітер є незвичайним енергоносієм,невичерпним, але який має безліч складних і слабо передбачених фізичнихпараметрів для кожного окремо взятого географічного місця. У опис вітру, окрімсередньорічної і максимальної швидкостей, слід взяти до уваги характеристики щовраховують внутрішню структуру повітряного потоку такі як: «троянда вітрів»,поривчасту, щільність повітря, турбулентність, температуру і різновекторнітечії по висоті.
4. Вітроенергетичні установки (ВЕУ)
Вітроенергетична установка (ВЕУ, абовітряк) – технічна конструкція, поперетворює енергію рухомих повітряних мас велектричну. Під поняттям «вітрова електростанція» розуміють же систему з такихустановок.
Конструкціївітроустановок
/>
Є дві принципово різні конструкціївітроустановок: з горизонтальною і вертикальною віссю обертання.
Найбільшого поширення в світі набулаконструкція вітрогенератора із трьома лопатями і горизонтальною віссю обертання(мал. 1), хоча подекуди ще зустрічаються і дволопастні. Булирозроблені і впроваджені в електроенергетику вертикально-осьові (ортогональні)вітряки. Відмітна особливість таких вітростанцій – вертикальні вони здатнівловлювати вітер з будь-якого боку без врахування складності вітрового потоку,яких-небудь пристосувань до напрямку і типу вітру. Це дозволяє не враховуватипри експлуатації станції «троянду вітрів» і інші параметри, а тількиенергетичний потенціал вітру. Вважається, що такі вітряки мають перевагу увигляді дуже малої швидкості вітру, необхідної для пуску роботивітрогенератора. Головна проблема таких генераторів — механізм гальмування.Через цю і деяких інших технічних проблем ортогональні вітрові електростанціїне набули практичного поширення у вітроенергетиці.
У конструкції сучасних вітровихелектростанцій закладені новітні наукові і експериментальні розробкивикористання кінетичної енергії вітру, що дозволили добитися високоїефективності, надійності експлуатації і низької вартості електроенергії, щовиробляється.
Основними елементами вітроенергетичнихустановок є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильногомоменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальнийпристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун.Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряномупотоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент.
Залежно від потужності генераторавітроустановки поділяються на класи, їхні параметри та призначення наведено втаблиці 3.
Таблиця3. Класифікація вітроустановокКлас установки Потужність, кВт Діаметр колеса, м Кількість лопатей Призначення малої потужності 15-50 3-10 3-2 Зарядження акумуляторів, насоси, побутові потреби середньої потужності 100-600 25-44 3-2 Енергетика великої потужності 1000-4000 >45 2 Енергетика
Оскільки вітер може змінювати свою силута напрямок, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю табезпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвертання вісі обертання завітром, нахилу лопатей відносно землі за критичної швидкості вітру, системиавтоматичного контролю потужності й аварійного відключення для установоквеликої потужності.
Вітродвигун виробляє енергію, коли вітертисне на його лопаті. Чим довше лопать, тим більше енергії вітру вона можеперехопити. Точно також, чим більша швидкість вітру, тим більше його тиск налопаті і тим більша кількість перехопленої енергії.
Вихід енергії не перебуває в лінійнійзалежності від довжини лопаті і від швидкості вітру: він росте пропорційноквадрату довжини лопаті і кубу швидкості вітру.
Звернемо увагу на те, що при швидкостівітру 33 кілометри в годину видовження лопаті в 4 рази (з 15 до 60 м) збільшуєвироблення енергії в 16 разів. Відмітимо також, що при довжині лопаті 30 мвітер із швидкістю 50 км/год забезпечує вироблення електроенергії в 26 разівбільшу, ніж вітер із швидкістю 17 км/год. Саме тому інженери схиляються накористь великих вітродвигунів і прагнуть перехопити вітер на великій висоті.
Більшість великих вітродвигунів, щоспоруджуються зараз або що вже діють, розраховано на роботу при швидкостяхвітру 17 – 58 кілометрів за годину. Вітер із швидкістю менший 17 кілометрів нагодину дає мало корисній енергії, а при швидкостях більше 58 кілометрів нагодину можливе пошкодження двигуна.
Вітродвигуни не слід розраховувати наперехоплення штормових вітрів. Навіть якщо такий вітер забезпечує отриманнянабагато більше енергії, чим слабкі вітри, він чинить настільки сильний тиск налопаті, що весь вітродвигун може бути зруйнований. Крім того, тривалість часу,коли дмуть штормові вітри, настільки мала, що вклад штормових вітрів в сумарневироблення енергії нікчемний, і це робить подібний ризик безглуздим. Щобусунути проблему штормових вітрів, лопаті вітродвигунів згинають так, щоб вонибули злегка повернені в один бік для зменшення натиску вітру; завдяки цьомуудари сильних поривів не ушкоджують пропелер. Ця стара практика відома як«оперення». Щоб запобігти поломці лопатей, застосовують також нові матеріали,здатні протистояти великим навантаженням.
Інші проблеми в конструкціївітродвигунів обумовлені просто природою системи, необхідної для перехваткиенергії вітру. Двигуни зазвичай встановлюють на високих вежах, щоб лопаті буливідкриті сильнішим вітрам, що дмуть на великій висоті. Ближче до поверхнібудинку, дерева, невеликі горби і тому подібне стримують і ослабляють вітер.Тому потрібні високі щогли. Проте важке устаткування – пропелер, коробкапередач і генератор – повинно розміщуватися на верхівці щогли, і це вимагаєміцної конструкції.
Ще одну проблему використання енергіївід вітродвигуна створює природа самого вітру. Швидкість вітру варіює в широкихмежах – від легкого подиху до потужних поривів; у зв'язку з цим міняється ічисло обертів генератора в секунду. Для усунення цього змінний струм, щовиробляється при обертанні осі, випрямляють, тобто перетворять в постійний,такий, що йде в одному напрямі. При великих розмірах вітродвигуна цей постійнийструм поступає в електронний перетворювач, який проводить стабільний зміннийструм, придатний для подачі в енергетичну систему. Невеликі вітродвигуни назразок тих, що використовують на ізольованих фермах або на морських островах,подає випрямлений струм у великі акумуляторні батареї замість перетворювача.Вони абсолютно необхідні для запасання електроенергії на періоди, коли вітердуже слабкий для вироблення якої-небудь енергії.
Важча проблема регулювання всієї системиелектростанцій. Також як на приливних станцій, тут бувають періоди, колигенератори виробляють мало енергії або зовсім її не проводять. У такий часнеобхідно десь збільшити вироблення струму звичайною електростанцією, щобпокрити потребу в нім.
5. Побутові вітрові електростанції
Сучасні вітроенергетичні установки(вітряки) діляться на два класи: потужні, в сотні тисяч кіловат, називаютьсямережевими тому, що при безвітряній погоді забезпечення споживача енергією йдез мережі; і автономні, працюючі в парі з акумулятором. Як правило, потужністьавтономних вітряків не перевищує 5-10 кВт. Вони називаються: вітроелектричніустановки малої потужності (ВЕУМП).
На цей унікальний клас вітряків звернувувагу німецький учений і практик Хайнц Шульц. Він і запровадив термін«Kleine Windkraftanlage», тобто «малі вітроенергетичніустановки».
"Існує думка, — писав Х. Шульц, — що в областях із середньорічними швидкостями вітру менше 4 м/с використанняенергії вітру невигідне. Проте це твердження не поширюється на малі вітросиловіустановки для зарядки акумуляторів і багатопелюсткові установки, що легкорозганяються, для водопідйому. Заселення американських і австралійськихвнутрішніх територій, де більшість областей мають середньорічні швидкості вітруменше 2 м/с, було б без них неможливо".
Малі вітроенергетичні установки (ВЕУМП)прості і дешеві в монтажі, експлуатації і ремонті, екологічні, не вимагають прироботі практично ніякого обслуговування, періодичного підстроювання і ін. Пара «вітродвигун-генератор»сповна обходиться без редуктора, що ще більш спрощує і здешевлює конструкціювітряків, підвищує її надійність.
Таким комплексним набором найважливішихвластивостей не володіє жоден клас нетрадиційних енергетичних установок.Причому енергопостачання вони можуть забезпечити в регіонах із середньоюшвидкістю вітру всього 3-5 м/с. Фактично володар побутового вітряка (ВЕУМП)набуває майже цілковитої незалежності як від традиційних виробників енергії, такі від природних явищ.
П'ятилопатеве вітроколесо діаметром 3,3м вмонтовується на збірній щоглі з труб із сталевими розтяжками. Щогла вимагаєфундаменту і спеціальних пристосувань для монтажу і демонтажу. Для захисту відсильних вітрів використовується генератор, встановлений на поворотномупідшипнику несиметрично. Коли вітровий тиск посилюється, корпус генераторапочинає парусити, розвертаючи вітрове колесо в горизонтальній площині. Вітервщухає — і пружина флюгера повертає колесо в колишнє положення. Вітряк маєоригінальну флюгерну систему, яка постійно орієнтує вітроколесо на вітер іодночасно захищає пристрій від занадто великого вітрового тиску. Як любийзвичайний вітряк, в горизонтальній площині флюгер під дією вітру здатнийповертатися в обидві сторони на декілька обертів. Коли вітер припиняється,спеціальна пружина повертає його у початкове положення, не дозволяючизакручуватися кабелю, за допомогою якого здійснюється передача енергії. Крімтого, генератор разом з вітровим колесом здатний повертатися і у вертикальнійплощині. Якщо вітер стає дуже сильний і загрожує пошкодити установку, колесо згенератором повертається довкола горизонтальної осі, оптимізуючи вітровийнатиск, аж до кута 90 градусів, коли лопаті встають паралельно повітряномупотоку.
Але як бути, якщо споживачеві потрібнобільше електроенергії? Фермерові, підприємцеві — для забезпечення роботиобладнання тваринницького комплексу або майстерні, власникові великогозаміського будинку — для опалювання. Принципова відповідь є і на це питання.
Немає ніякої необхідності створюватинові потужні вітряки величезних розмірів. Перехід в енергетичну областьсередньої потужності досить просто здійснити шляхом створення енергетичнихкомплексів (ЕК), що складаються з декількох вітроустановок (до 5-10 одиниць).Підсумовування потужностей здійснюється на єдиному акумуляторі. Хоча такийкомплекс не розмістити на шести дачних сотках, площу все ж таки він займеневелику. Номінальна потужність ЕК може бути доведена до 10-15 кВт, піковапотужність — до 20-25 кВт, вироблення — до 1800 кВт.год/міс., натомістьвартість виготовлення знижується в 3-4 рази.
Подібний комплекс здатний цілкомзабезпечити енергією не те що велике фермерське господарство або заміськийпалац, але й невелике селище, куди ЛЕП не доходять. Правда, для повного спокоюв нього рекомендується включити як резервні джерела — сонячні батареї, а такождизельну або бензинову міні-електростанцію: від примх погоди слід себе надійнозахистити. Завдяки своїм справді унікальним експлуатаційним властивостям ітехнічним характеристикам малі вітряки (ВЕУМП) здатні не лише на забезпечення «інтелектуальногопобуту» сільського і дачного будинку. Їм практично немає альтернативи в рішеннізадачі забезпечення енергією самих різних автономних станцій: навігаційних, радіорелейних,метеорологічних, обслуговуючих нафтогазопроводи і ін.
Мабуть, самим доказовим аргументом накористь вітряків став досвід Китаю, який проголосив шестирічну програмуелектрифікації регіонів Маньчжурії, що не мають стаціонарних джерел електроенергіїі енергоносіїв, за допомогою малих вітроелектроустановок (приблизно до 2 кВт),підключивши до їх виконання 60 НДІ і 100 заводів. Це завдання було виконане — випущено 10 мільйонів таких ВЕУ.
6. Вітрові електростанції нового типу
Вітрові електростанції нового типуможуть використовувати енергію повітряних потоків, що виникають під час рухутранспорту автомагістралями.Один із студентів Арізонського університету вякості курсової роботи вирішив розробити новий тип вітрових електростанцій. Дляодержання електроенергії вони повинні використовувати енергію повітрянихпотоків, що виникають при русі транспорту по автомагістралях.
Згідно проекту електростанції будутьвикористовувати генератори, розташовані над дорогою. По розрахункам, присередній швидкості руху транспорту 112 км/год швидкість вітру на рівнігенераторів буде не менше 16 км/год. За рік один генератор зможе виробитьблизько 9,6 МВт електроенергії.
7. Недоліки вітроенергетики
- зточки зору економіки
Вітер дме майже завжди нерівномірно.Виходить, і, генератор працює досить нерівномірно, віддаючи то більшу, то меншупотужність, струм виробляється дуже змінною частотою, а часом і зовсімприпиниться. Для вирівнювання струму застосовують акумулятори, але і дорого, імало ефективно.
Інтенсивність вітрів сильновідрізняється і від геогафічного розташування турбіни. ВЕС доцільно будувати втаких місцях, де середньорічна швидкість вітру вище 3,5—4 м/с для невеликихстанцій і вище 6 м/с для станцій великої потужності.
Як випливає з приведених вище цифр, потужністьоднієї вітроустановки не перевищує у виняткових випадках 4 Мвт, а в серійнихустановках — 200-250 кВт. Вітроагрегати — досить громіздкі споруди. Навіть дужемалий вітроагрегат «Сокіл», потужністю 4 кВт. складається з щоглизаввишки 10 м. (з триповерховий будинок) і має діаметр трилопатевого ротора 12м. (колесо). ВЕС великих потужностей і розміри мають відповідні. Так, установкадля 100 кВт. має ротор діаметром 37 м. з масою 907 кг, а ротор установки«Гровіан» має розмах лопатей 100 м., відповідно висота башти теж 100м., тобто вище 30-поверхового будинку! Розвиває вся ця велика установкапорівняно невелику потужність — лише 3-4 Мвт, а з урахуванням простоїв, середняпотужність виявляється і ще нижчою — приблизно 1 Мвт (таке спільність міжномінальною і середньою потужностями ВЕС підтверджує наступний факт: уНідерландах для частки ВЕС треба 0,11 % всіх встановлених потужностей, алевиробляють вони лише 0,02% електроенергії). Таким чином, для заміни лише однієїАЕС потужністю 4 млн. кВт. потрібно було побудувати чотири тисячі такихмонстрів з відповідними витратами сталі і інших матеріалів. При такихкількостях, потрібно удосконалювати якість вітроустановок, але виникаютьпроблеми зовсім іншого роду.
Здавалося б, якщо вітер дме безкоштовно,виходить, і електроенергія повинна бути дешевою. Але це далеко не так. Річ втім, що будівництво великого числа вітроагрегатів вимагає значних капітальнихвитрат, які входять складовою частиною в ціну виробленої енергії. Припорівнянні різних джерел, зручно зіставляти питомі капіталовкладення, тобтовитрати для виробництва 1 кВт. виробленої потужності. Для АЕС ці витрати рівніблизько 1000 руб/кВт. В той же час, Радянська вітроустановка АВЕ-100/250,здатна виробити потужність 100 кВт, стоїть 600 тис. крб. (у цінах в 1989 р.),тобто для неї капзатрати складають 6000 руб./квт. А якщо врахувати, що вітер незавжди дме з такою швидкістю, і середня потужність виявляється в 3-4 рази меншемаксимальною, то реальні капзатрати складуть порядку 20 тис.руб./квт, який в 20раз вище, ніж для АЕС.
- з точки зору екології
Недолік 1:системи вітроелектростанцій займають дуже великі площі.
Для розміщення сотень, тисяч і тимбільше мільйонів вітряків потрібні були б дуже великі території в сотні тисячгектарів. Річ в тім, що вітроагрегати близько один до одного поміщати не можна,тому що вони перешкоджатимуть роботі один одному. Мінімальний проміжок міжвітряками доводиться залишати не менше їх потрійної висоти. Ось, і вважайтесамі, яке місце доведеться відвести для ВЕС потужністю 4 млн. кВт.
Недолік 2:згубна дія інфразвукового випромінювання на навколишнє середовище.
При цьому треба мати на увазі, що вженічого іншого на цьому майдані виробляти не можна. Працюючі вітродвигунистворюють тонкий шум, і, що гірше, — генерують нечутні вухом інфразвуковіколивання вагання з частотами нижче 16 Гц. Крім цього, вітряки розполохуютьптахів і звірів, порушуючи їх природний спосіб життя, а велике їх скупченні дляодному майданчику — можуть істотно спотворити природний процес повітрянихпотоків з непередбаченими наслідками. Не дивно, що в багатьох країнах, в томучислі й в Ірландії, Англії і інших, жителі виражали протести напроти розміщенняВЕС близько населених пунктів і сільськогосподарських угідь, а в умовахгустонаселеної Європи це означає — скрізь. Тому було висунуто ідею пророзміщення систем вітряків у відкритому морі. Так, в Швеції розроблений проект,відповідно до якого передбачається в Балтійському морі встановити таку системуз 300 вітряків. На їх баштах заввишки 90 м. будуть розташовані двохлопастніпропелери з розмахом лопастей 80 м. Вартість будівництва лише першої сотнітаких гігантів складає більше 1 млрд. дол., а вся система, для будівництва якоїпіде мінімум 20 років, забезпечить лише 2% споживаної Швецією електроенергії вданий час. Але це — поки лише проект. А тим часом в тій же Швеції початобудівництво однієї ВЕС потужністю 200 кВт на відстані 250 м від берега, якийбуде передавати енергію на землю по підводному кабелі. Аналогічні проекти булиі у СРСР: пропонували встановлювати вітряки і для акваторії Фінської затоки, ідля Арабатської стрілки в Криму. Крім складності і дорожнечі подібних проектів,їх дія створить серйозні перешкоди судноплавству, рибальству, а такожспричинить ті ж шкідливі екологічні впливи, про які говорилося раніше. Тому іці очікування викликають рух протесту. Наприклад, шведські рибалки зажадалиперегляду проекту, тому що, згідно їх думці, підводний кабель, як і самастанція погано впливатимуть для риб, зокрема — для вугрів, які мігрують в тихмісцях уздовж берега.
Великі вітродвигуни обертаються зшвидкістю близько 30 зворотів в секунду. Це близько до частоти синхронізаціїтелебачення. Тому великі вітродвигуни можуть мішати прийому передач на відстанідо 1,6 км. При використанні лопатей із скловолокна, які виявилися дешевшимиметалевих, відстань перешкод зменшується приблизно удвічі. Та справа йде лишепро великі вітродвигуни, і можна чекати, що це не буде проблемою для меншихдвигунів.
Лопаті вітродвигунів можуть убитиптахів, але важко передбачити, в яких масштабах це відбуватиметься.