Реферат
Возобновляемые источники энергии: энергия ветра
Введение
Энергия ветра — это преобразованная энергия солнечного излучения,и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тожевозобновляемый источник энергии.
Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточновспомнить парусный флот, который был уже у древних финикиян и жившиходновременно с ними других народов, и ветряные мельницы. В принципе,преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно — дляэтого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуютвезде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом ихсущественное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполнепонятны многочисленные попытки «запрячь ветер в упряжку» и заставитьего вырабатывать электрический ток.
Первая в нашей стране ветряная электростанция мощностью 8 кВт быласооружена 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 100кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешнопроработала до 1942 г., но во время войны была разрушена.
Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Вомногих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС сноминальными мощностями свыше 1 МВт.
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. тамбыла построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭСв этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до4 МВт (табл.2.). Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн.ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровнякоммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могутконкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможныхустройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющембольшинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом,устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства свертикальным валом.
Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу временичерез площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скоростиветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, гдесреднегодовые скорости ветра достаточно велики.
Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может влучшем 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 КПДидеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучшихветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо сдлиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу влучшем случае 85 кВт.
Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается науровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем набольшую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянствомскорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность.Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальнаямощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ идаже ветровой фермы.
Автономные установки киловаттного класса, предназначенные дляэнергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районахс меньшими среднегодовыми скоростями ветра.
История использования энергии ветра
Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире ив 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.
«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись досередины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такуюмельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашелспособ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. Вмельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачиватькрылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как самоздание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс. «Машины: применениеприродных сил и науки»).
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что еёприходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и еёпроизводительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.
В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станциис использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — 1526 г.,Глочестер — 1542 г., Лондон — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. Нидерландахмногочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами.Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливыхобластях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.
Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция,а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт.Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырехлопастные роторы диаметром23 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осьюимела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башнювысотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает периодупадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей,дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождениеинтереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии началипредоставляться налоговые льготы для экологически чистой энергии.
Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра
Современные ветрогенераторы работают при скоростях ветра от 3—4м/с до 25 м/с. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастямигенератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмыVestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей90 метров.
В августе 2002 года компания Enercon построила прототипветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбинаоставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpowerSystems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этойтурбины 126 метров, вес гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметрротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpowerразрабатывает ветрогенератор мощностью 7,5 МВт для офшорного применения.
Наибольшее распространение в мире получила конструкцияветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-гдеещё встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы такназываемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением осивращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скоростиветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема такихгенераторов — механизм торможения. В силу этой и некоторых других техническихпроблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения вветроэнергетике.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветрасчитаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда идальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторовустанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.
Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а такжеплавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построенкомпанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега ЮжнойИталии на участке моря глубиной 108 метров. 5 июня 2009 года компании SiemensAG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческойплавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства SiemensRenewable Energy.
Использование энергии ветра
В 2008 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всёммире до 120 ГВт. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребленияэлектроэнергии. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики былизаняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования дляветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардовамериканских долларов.
В 2007 году в Европе было сконцентрировано 61 % установленныхветряных электростанций, в Северной Америке 20 %, Азии 17 %. Страны Евросоюза в2005 году вырабатывают из энергии ветра около 3 % потребляемой электроэнергии.
В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % отвсей произведённой в Германии электроэнергии.
В 2007 году 18,3 % электроэнергии в Дании вырабатывалось изэнергии ветра. Индия в 2005 году получает из энергии ветра около 3 % всейэлектроэнергии.
В 2007 году в США из энергии ветра было выработано 48 млрд кВт·чэлектроэнергии, что составляет более 1 % электроэнергии, произведённой в США за2007 год.
В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3% суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действуетзакон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 годумощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.
Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветравыработали около 20 % электроэнергии. 22 марта 2008 года в Испании из энергииветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны.
Ежегодно в Европе установленная мощность ветроагрегатов составляет200 MW При благоприятных условиях прирост установленной мощности можетcоставить 800 MW. Наиболее эффективными по наращиванию установленной мощностиветростанций являются программы стран Европы, Китая, Индии, США, Канады.
Ежегодный оборот за счет продаж ветропреобразователей в странахЕвропы составляет 400 MECU. Более 10 крупнейших банков Европы инвестируютветроэнергетическую индустрию. Более 20 крупных Европейских частных инвесторовфинансируют ветроэнергетику. Стоимость ветровой энергии зависит в основном отследующих 6 параметров:
инвестиций в производство ветроагрегата (выражается как отношениеS кв. м. — цена одного кв. метра ометаемой площади ротора ветротурбины);
коэффициета полезного действия системы;
средней скорости ветра;
доступности;
технического ресурса.
За последние три десятилетия технология использованияэнергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевыхветроагрегатов WECS. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Многиетысячи современных установок WECS оказались полностью конкурентоспособными поотношению к обычным источникам энергии. Существующие электрические сетиосуществляют транспортировку электроэнергии вырабатываемые ветропарками вразличные регионы.
В последние годы интенсивно стали развиваться технологиииспользования энергии ветра в изолированных сетях. В изолированных сетяхэлектропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много развыше, чем в централизованных сетях электропередач. Установки, производящиеэлектроэнергию, обычно основаны на небольших двигателях внутреннего сгорания,использующих дорогостоящее топливо, когда расходы на транспортировку толькотоплива часто поднимают стоимость единицы произведенной энергии в десятки разот стоимости энергии в лучших централизованных сетях электропередач. Внебольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являютсягораздо более гибкими: современный комплект генераторов на дизельном топливеможно запустить, синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чемза две секунды. Преобразование энергии ветра является альтернативнымвозобновляемым источником энергии, чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новыеисследования технической осуществимости проектов использования ветроустановоксовместно с дизельгенераторами в изолированных сетях показывают, что мировойпотенциал для независимых систем WECS даже выше, чему систем WECS, подключенныхв обычные сети электропередач. В таблице 6 приведены параметры действующихветродизельных систем. Указанные системы были построены в 1985-1990 г.г. Ихэксплуатация выявила необходимость совершенствования систем, созданияавтоматизированного управления.
Энергия ветра в России
Современная экономика России базируется на использованииневозобновляемых углеводородных топливно-энергетических ресурсов. Удельный веснефти, природного газа и угля суммарно составляет более 90 процентов, причем впоследнее десятилетие наблюдается опережающее увеличение доли одного источника– природного газа.
В ближайшие годы будет продолжаться тенденция ухудшениягорно-геологических условий добычи углеводородных ресурсов и ужесточенияэкологических стандартов при сжигании традиционного топлива во всех отрасляхнациональной экономики. Одновременно по мере научно-технического прогресса будетвозрастать конкурентоспособность альтернативных источников энергии, средикоторых наиболее важную роль будут играть нетрадиционные возобновляемыеисточники энергии.
Одним из видов нетрадиционных возобновляемых источников энергииявляется энергия ветра. Энергия ветра на земле неисчерпаема, а в последние 15 — 20 лет бурно развивалось ее использование для производства. Многие столетиячеловек пытается использовать энергию ветра себе во благо, строя ветростанции,выполняющие различные функции: мельницы, водяные и нефтяные насосы,электростанции.
В связи с постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу идругими факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Этоявляется одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровойактивности во многих регионах нашей планеты и, соответственно, актуальностистроительства ветростанций.
Как показали практика и опыт многих стран, использование энергииветра крайне выгодно, поскольку, во-первых, стоимость ветра равна нулю, аво-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжиганияуглеводородного топлива, продукты горения которого известны своим опаснымвоздействием на человека.
Специфика и условия работы ветроэлектростанций в нашей странезначительно отличаются от зарубежных. Работа автономных систем энергоснабженияв условиях потребления энергии небольшой мощности не позволяет использовать тепреимущества, которые имеет ветроэнергетика за рубежом. Большие расстояниямежду населенными пунктами делают перспективным направлением развитияветроэнергетики в России совершенствование ВЭУ малой мощности (от 10 кВт) вусловиях их изолированности от крупных энергосистем.
Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в томчисле и в тех районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение.Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, атакже побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей имеют высокиесреднегодовые скорости ветра.
/>
География распределения ветроэнергетических ресурсов позволяетрационально их использовать как автономными ветроэнергетическими установками,так и при работе ВЭУ в составе местных энергетических систем. Валовой ветровойпотенциал России оценивается в 80*1015 кВт/ч/ год, экономический – 40*109кВт/ч/год (рис. 2). Анализ векового хода скорости ветра на европейскойтерритории России показывает, что вековые вариации ветроэнергетических характеристикмогут достигать значительных величин (30-50 процентов для среднемесячных и15-25 процентов — для среднегодовых скоростей ветра), учет которых необходимпри решении практических задач ветроэнергетики.
/>
Для стремительного развития ветроэнегетики в России необходимоследующее:
во-первых, масштабное внедрение ветроустановок в состав «большойэнергетики», особенно с учетом неизбежного снижения цен на ветроустановки ироста цен на традиционное топливо (нефть, уголь и т.д.);
во-вторых, создание ВЭУ как большой, так и малой мощности длярешения проблем энергообеспечения удаленных и изолированных районов, которыенедостаточно обеспечены электроэнергией и практически не имеют другой,экономически выгодной альтернативы, как строительство ветроэлектростанций;
в-третьих, внедрение стимулирующих механизмов: налоговые льготы;предоставление кредитов на продолжительный срок под льготный процент с отсрочкойплатежей до окончания строительства; введение экологического налога;установление местных тарифов, которые позволят обеспечить возвращениекапитальных вложений в ветроэнергетику; субсидирование пользователей ВЭУ;создание информационной сети, системы образования, стажировок и т.д.
Энергия ветра на Урале
В Нижней Салде (Свердловская область) проходят испытания опытногообразца парусной ветроэлектростанции — первой и пока единственной в стране.Автор проекта — местный изобретатель кандидат технических наук Анатолий Волков.Инвестором выступил генеральный директор торгового дома «Казанова»(Екатеринбург, продажа интимных принадлежностей и товаров для здоровья) АлексейБаталов.
Проект ветроэлектростанции парусного типа — своеобразнаяальтернатива ветрякам, широко известным в Западной Европе и США с 70-х годов.Там они начали массово производиться, когда промышленно развитые страны охватилэнергетический кризис, вызванный резким подорожанием нефти.
В стремлении снизить стоимость выработки ветроэнергии западныестраны пошли по двум направлениям. Первое — создание гигантскихветроэлектростанций, мощность которых достигает 5 МВт (что сопоставимо смощностью миниТЭЦ), а диаметр ветроколеса превышает 100 м. По сведениямЕвропейской ассоциации ветряной энергетики, в 2006 году в ЕС установленыстанции совокупной мощностью 7,6 тыс. МВт и стоимостью около 9 млрд евро. Иобъем выработки оправдывает затраты на создание столь грандиозных сооружений.
Второй путь — строительство ветропарков, состоящих из множествастандартных ветроустановок, равномерно распределенных по большой площадиповерхности поля. Ветропарки широко распространены в Германии, США, Дании.
Нижнесалдинский изобретатель предложил третий путь — искусственноеувеличение скорости ветра, за счет чего вырабатываемая мощность многократновозрастает. Суть ноу-хау — в использовании совместно с ветрогенератором гибкойворонки-паруса. «Представляете купол парашюта? В купол попадает поток воздуха.Этот ветер концентрируется в критической части, усиливаясь в два раза, амощность возрастает в четыре», — поясняет Анатолий Волков.
Идея родилась четыре года назад, и все это время Волков искалсредства на ее реализацию. Обратился в министерство промышленности, энергетикии науки Свердловской области. Там проект горячо поддержали, вынесли дваположительных заключения, однако денег не дали. Вместо этого обратились кнескольким уральским олигархам с просьбой выступить инвесторами, но такжебезрезультатно. А в прошлом году вопрос поиска средств решился самымнеожиданным образом: в сентябре с проектом ознакомился Алексей Баталов, а уже вноябре изобретатель и совладелец торгового дома «Казанова» заключили договор осотрудничестве.
Парусная ветроэлектростанция в отличие от обычных ветряковрасполагается на земле. Ее можно сложить в простой рюкзак
На первый этап реализации проекта предприниматель выделил 1 млнрублей. Деньги пошли на разработку конструкторской документации и закупкуспециальной ветровой турбины в США: оборудование для ветроэлектростанцийотечественный энергомаш не производит. Уже создан опытный образец, рассчитанныйна мощность 400 Вт (это объем энергопотребления небольшого частного дома).
Преимущество парусной ветроэлектростанции перед стандартнымиветряками в том, что она не требует сооружения мачты высотой несколько десятковметров. Чтобы поймать большой поток ветра, ей достаточно находиться на земле.Это существенно снижает себестоимость и придает сооружению мобильность. Привесе турбины всего 5 кг нашу электростанцию можно положить в рюкзак и перенестина другое место. Парус делается из ткани, лопасти пластиковые и складываются.Такие ветроэлектростанции пригодятся сотрудникам МЧС, пограничникам,альпинистам, туристам, фермерам, а также для бытовых целей.
Предлагаемая им технология может использоваться не только дляпроизводства энергии в малых объемах, но и для обеспечения промышленныхобъектов. Однако для создания опытного образца парусной ветроэлектростанциимощностью 1 МВт требуются инвестиции в несколько миллиардов рублей.Изобретатель и предприниматель готовы предложить правительству Свердловскойобласти выступить соучредителем создаваемого предприятия.
Парусная ветро-электростанция позволяет решить проблему слабоговетра, но лишь частично: «При появлении гидравлического сопротивления в зонеусиленной скорости ветра возникает обтекание этого препятствия снаружи. Этодает основание усомниться в высокой эффективности использования паруса. Паруспозволяет концентрировать ветер, однако в Свердловской области часто бываютбезветренные дни, когда и концентрировать-то нечего. Поэтому необходимопровести независимые экспериментальные исследования.
Безусловно, проект изобретателя из Нижней Салды требуетвнимательного изучения. Но он рождает надежду на возможность использованиявозобновляемых энергоисточников в виде ветра даже в центре Евразии, гдевоздушные потоки не столь сильны, как в Западной Европе. Для промышленногоУрала это особенно значимо.
Экономика ветроэнергетики
Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого топлива.Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяетсэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Себестоимостьэлектричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра:
Скорость ветра Себестоимость (для США, 2004 год)
7,16 м/c 4,8 цента/кВт·ч;
8,08 м/с 3,6 цента/кВт·ч;
9,32 м/с 2,6 цента/кВт·ч.
Для сравнения: себестоимость электричества, производимого наугольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт·ч. Средняя стоимостьэлектричества в Китае 4 цента/кВт·ч.
При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимостьпроизводимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещёснизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряногоэлектричества в США составляла $0,38.
В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, чтов двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала ниже стоимоститрадиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и угольстоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии,произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса иXcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимуюиз ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.
Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии.Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегосябольшим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенераторав энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и внедельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистемасама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления),регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительнойдоли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно,что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в видегазотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности ихвыработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенноудорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотойподключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлениюзаконодательных актов, обязующих их это делать.
Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-занестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будетпоказатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.
По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точностьпрогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «надень вперед» или спотовом режиме превышает 95 %.
Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевойинфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередач и распределительногоустройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети,где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое ираспределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижаямощность, потребляюмую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция ивнешняя линия электропередач оказываются менее нагруженными, хотя общеепотребление мощности может быть выше.
Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы сремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высотеболее 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.
В России считается, что применение ветрогенераторов в быту дляобеспечения электричеством малоцелесообразно из-за:
Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки(применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого ответрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью приработе генератора в параллель))
Высокой стоимости аккумуляторных батарей — около 25 % стоимостиустановки (используются в качестве источника бесперебойного питания при отсутствииили пропадании внешней сети)
Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установкеиногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.
В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители,себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительной величиныу основной массы производств по сравнению с другими затратами; ключевыми дляпотребителя остаются надёжность и стабильность электроснабжения.
Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемойот ветрогенераторов, являются:
Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~220В 50 Гц (требуется применение инвертора)
Необходимость автономной работы в течение некоторого времени(требуется применение аккумуляторов)
Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей(требуется применение дизель-генератора)
В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение спомощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, апостоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующимпреобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получениягорячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:
Отопление является основным энергопотребителем любого дома вРоссии.
Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинальноупрощается.
Схема автоматики может быть в самом простом случае построена нанескольких тепловых реле.
В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлерс водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не так требовательно к качеству ибесперебойности: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широкихдиапазонах 19—25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C без ущербадля потребителей.
Экологические аспекты ветроэнергетики
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы ватмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота.
По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мироваяветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн.
Ветряные энергетические установки производят две разновидностишума:
механический шум — шум от работы механических и электрическихкомпонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, ноявляется значительным в ветроустановках старших моделей)
аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока слопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башниветроустановки)
В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановокпользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровняшума не дает информации о шумности ветроустановки, так как эффективноеотделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.
Источник шума Уровень шума, дБ
Болевой порог человеческого слуха 120
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м 105
Шум от отбойного молотка в 7 м 95
Шум от грузовика при скорости движения 48 км/ч на удалении в 100 м65
Шумовой фон в офисе 60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч 55
Шум от ветрогенератора в 350 м 35—45
Шумовой фон ночью в деревне 20—40
В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколесауровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.
Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенераторГровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов ибыла демонтирована.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании,ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки дожилых домов — 300 м.
Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызываютощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановокмегаваттного класса.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 мот ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковыеколебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокойвлажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пускеветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, натерритории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаютсяпредупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.
Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмеченыслучаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.
Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Дляулучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмахработают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются длявизуального обоснования новых проектов.
В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействияшума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на1 кВт·ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущихпоблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы зато, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.
Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другойдеятельностью[28], что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания,Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м вдиаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширитьсельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни.Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. ВСША стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.
Источник энергии Удельный показатель площади земельногоучастка, требующейся для производства 1 млн кВт·ч за 30 лет
Геотермальный источник 404
Ветер 800—1335
Фотоэлектрический элемент 364
Солнечный нагревательный элемент 3561
Уголь 3642
Вред, наносимый животным и птицам
Причины гибели птиц (из расчёта на 10 000) штук
Дома/ окна 5500
Кошки 1000
Другие причины 1000
ЛЭП 800
Механизмы 700
Пестициды 700
Телебашни 250
Ветряные турбины Менее 1
Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок болееуязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератораобразуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё,получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветрякамиобнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицыимеют иное строение лёгких, а потому более резистентны к резким перепадамдавления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастямиветряков[30].
В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряныеэлектростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузкуна водные ресурсы.
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы влопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнееветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев длярешения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.
Заключение
К 2030 году ожидается рост энергопотребления как минимум в полторараза по сравнению с показателями этого года. Это определено скорректированнымвариантом генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики всоответствии с долгосрочным прогнозом спроса на электроэнергию.
Для этого потребуется дополнительно построить не менее половины отсуществующих мощностей — примерно 100 ГВт. Учитывая, что износ действующихмощностей составляет более 60%, то объем вводов и модернизации старых мощностейнеобходимо удвоить. Возникает вопрос: на какие типы станций следует делатьставку в ближайшие 20 лет в России?
Европейский союз уже сформулировал стратегию по развитиюсобственной энергетики: к 2020 году в каждой стране ЕС не менее 20% энергиидолжно вырабатываться с использованием возобновляемых источников энергии.Нередко их именуют альтернативными. Имеется в виду, что они способны заменитьсобой энергетику, работающую на органическом топливе (газ, уголь,нефтепродукты). Как правило, выделяют следующие основные источникиальтернативной энергии: энергия ветра, солнечная энергия, энергия воды (кромегидроаккумулирующих элеткростанций), геотермальная энергия, низкопотенциальнаятепловая энергия земли, биомасса и биогаз.
Политика ЕС как раз и направлена на максимальное использованиепотенциала этих источников. Логика принятия решений понятна: с одной стороны,ужесточаются экологические требования, что сделает альтернативную энергетику внедалеком будущем конкурентоспособной по отношению к традиционной, с другойстороны, страны Евросоюза стремятся диверсифицировать энергетические потоки истать более независимой. А что происходит с возобновляемыми источникамиэнергетики (ВИЭ) в России?
Существует ряд нормативно-правовых актов по стимулированиюразвития ВИЭ в России: от ФЗ «Об электроэнергетике», определяющийпонятие и виды ВИЭ, устанавливающий полномочий Правительства РФ в этой сфере,закладывающий основы государственной поддержки ВИЭ, до распоряженияПравительства РФ от 08.01.2009 N1-р «Основные направления государственнойполитики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики наоснове ВИЭ на период до 2020 г.». В этих документах содержатся целевыепоказатели объема производства и потребления электроэнергии, произведенной наВИЭ. Однако эти цифры не столь амбициозны, как в Европе: к 2020 году установленориентир в 4,5%. Почему так мало?
Во-первых, стоимость строительства таких объектов в несколько раздороже, чем традиционных тепловых станций, работающих на газе. Дело в том, чтопрактически все оборудование для ВИЭ импортное и зависит от курса национальнойвалюты. Во-вторых, отечественные электрические сети не приспособлены для работыс подобными объектами. Зачастую из-за различных условий использованияисточников энергии (солнечной активности, ветра) энергия не можетвырабатываться постоянно: в среднем такие станции могут работать на 30-40% отсвоего максимального значения. Поэтому необходимо постоянно планировать под нихсущественные резервы мощностей, которые могли бы задействоваться при перерывахв работе ВИЭ. В третьих, отсутствует реальная государственная поддержкаобъектов альтернативной энергетики. В ЕС государство напрямую дотируетпроизводство с использованием альтернативных источников энергии каждогокиловатт-часа, кроме того, генерирующие компании субсидируются на протяжениипериода окупаемости проекта. В США применяются иные меры стимулирования,включающие налоговые льготы и инвестиционные кредиты.
Сегодня в России также ведется активная подготовка к принятиюнормативно-правовых актов по поддержке развития ВИЭ с учетом западного опыта.
Логика развития такова: возобновляемые источники энергииэкономически эффективнее развивать вблизи центров их потребления. За счетэкономии на прокладку сетевой инфраструктуры (электрических и газовых сетей)достигается достаточно неплохие параметры стоимости строительства, которыесоизмеримы со всеми затратами по доставке энергии от «большой»энергетики.
С учетом надбавок для генерации ВИЭ такие проекты должны бытьвыгодны для инвесторов. Переход к возобновляемым источникам энергии в ближайшеевремя будет только усиливаться с учетом перманентного роста стоимостиэнергоресурсов и электроэнергии. Более того, в перспективе к 2020 годустоимость выработки электроэнергии на традиционных установках и с использованиемВИЭ должны сравняться. В свою очередь, массовое внедрение этих технологийспособствует их дальнейшему удешевлению, что дает новые возможности длякомпаний, планирующих инвестировать в ВИЭ, и предприятий, планирующих снизитьэнергопотребление за счет энергосберегающих мероприятий и собственной генерациина такие источники.
В каких сегментах альтернативной энергетики у России естьконкурентные преимущества? Безусловно, наша страна обладает одним из огромныхпотенциалов в ветровой генерации, энергии приливов и отливов. Однако, на мойвзгляд, целесообразно развивать только те проекты в сфере альтернативнойэнергетики, в которых у российского машиностроения и других связанных с ВИЭотраслей есть конкурентные преимущества перед иностранными производителями. Еслипроанализировать данные проекты по их экономической эффективности, то на первыйплан выходит такой источник энергии как биомасса. Россия обладает самымимасштабными запасами биомассы в мире, в первую очередь по лесным ресурсам.Поэтому разумнее было бы создавать механизмы поддержки именно в этой сфере.
Кроме того, альтернативная энергетика требует пересмотра политикиразвития и сетевой инфраструктуры. В первую очередь это касается проектов всфере внедрения интеллектуальных сетей (smart gid) на высоком классе напряжения(ЕНЭС) и распределительных сетях. Такое комплексное развитие всех направленийэнергетики позволит сделать этот процесс более устойчивым в будущем. Любаяальтернатива в конечном итоге должна укладывать в базис развития энергетики надлительную перспективу.
Список литературы
1. Алексеев Б.А. Международная конференция по ветроэнергетике /Электрические станции. 1996. №2.
2. Безруких П.П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики /Энергия: Экон., техн., экол. 1995. №8.
3. Богуславский Э.И., Виссарионов В.И., Елистратов В.В., КузнецовМ.В. Условия эффективности и комплексного использования геотермальной солнечнойи ветровой энергии // Международный симпозиум “Топливно-энергетические ресурсыРоссии и др. стран СНГ". Санкт-Петербург, 1995.
4. Дьяков А.Ф., Прокуроров Н.С., Перминов Э.М. Калмыцкая опытнаяветровая электростанция / Электрические станции 1995. № 2.
5. Логинов В.Б. Новак Ю.И. Высокоэффективные ветроэнергетическиеустановки / Проблемы машиностроения и автоматизации. 1995. №1-8.
6. Селезнев И.С. Состояние и перспективы работ МКБ «Радуга»в области ветроэнергетики / Конверсия в машиностроении. 1995. №5.
7. Соболь Я.Г. «Ветроэнергетика» в условиях рынка(1992-1995 гг.) / Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.