Современные ветровые электростанции

ветер энергия ветроустановка Активное использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и правительствами развитых стран. Признанным лидером в области ветроэнергетике являются США и ФРГ, где установленная мощность ветроэнергетических установок составила в 1997 году 1590 и 1550 Мвт. Последующие места занимают Дания, Индия и Нидерланды. В этих странах мощности ветроэнергетических станций равнялась 825, 820 и 285 Мвт. Ветроэнергетическое машиностроение обособилось в отдельную отрасль. На мировом рынке действуют десятки достаточно крупных фирм. Имеются тенденции к увеличению производства ветроэнергии во многих странах мира, например в Дании, в настоящее время ветроэнергетические станции обеспечивают 4% потребляемой в стране энергии, и уже в 2030 на их долю придется половина всей производимой в стране электроэнергии. Ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора, который, и вырабатывает электроэнергию. Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра. Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой. Удивительно разнообразны конструкции современных ветроустановок. Питер Макгрэв из Англии разработал проект ветроэнергетической установки мощностью 3 тысячи киловатт с двумя лопастями, укрепленными на горизонтальной оси. Известная авиастроительная фирма «Макдоннел — Дуглас» спроектировала установку такого же типа, но с тремя лопастями. А западногерманская фирма «Мессершмит — Бёльков — Блом» разработала конструкцию ветроколеса с одной лопастью длинной 74 метра, установленной на башне высотой 120 метров. Мощность этого гиганта должна составить 5 тысяч киловатт. Встречаются и конструкции, где ветер должен вращать устройство, напоминающее огромное велосипедное колесо, на котором вместо спиц укреплены лопасти. Для эффективной работы ветроустановок необходимы определенные требования по их размещению. Так, для относительно постоянной работы ветроэнергетических установок требуется их размещение в местностях, где ветровой потенциал составляет 2500 часов в год. Ветровые условия района применительно к ветроиспользованию характеризуются ветроэнергетическим потенциалом, который включает в себя различные показателя ветра, определяемые по результатам многолетних наблюдений: среднегодовые и среднемесячные скорости ветра; повторяемость скорости и направление ветра в течение года, месяца, суток; данные о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра; его изменениях с высотой и т. п. Достоверность оценки ветрового потенциала местности — наиболее важный фактор, определяющий эффективность ветроэнергетических станций. В общем случае для его определения необходимо проведение непрерывных наблюдений в месте предполагаемого строительства ветроэнергетических станций продолжительностью не менее года. При проектировании большого количества ветроэнергетических станций эта задача требует огромных трудозатрат, поскольку для каждой ветростанции рассматривается несколько вариантов площадок. Современные ветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя на высоте 50−70 м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для мест строительства крупных ветроэнергетических станций, предназначенных для работы в мощных энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера (10м) должна составлять не менее 6 м/с. Следует учитывать, что наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобы установка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью и ветроколесо было установлено достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветропоток был сильным, однородным с минимальными флуктуациями скорости и направления. Энтузиасты ветроэнергетики предлагают построить в наиболее ветреных местах Земли группы ветроагрегатов, соединять их между собой, а затем полученную энергию передавать в энергетическую систему. Датские специалисты предлагают разместить ветровые электростанции в море, где сила ветра всегда больше, чем на суше. Они подсчитали, что группа из двухсот морских ветроагрегатов может выработать за год столько энергии, сколько ее содержится в полумиллионе тонн угля. Далее стоит вопрос выбора расчетных параметров ветроэнергетических установок для заданного (определенного расчетным путем или экспериментально) ветрового потенциала, т. е. выбора экономически оптимального размера ветроэнергетической установки. Так, например, в Калифорнии на ветроэнергетической станции «Алтамон» несоответствие выбранного типоразмера ветроэнергетической установки и действительного ветрового потенциала привело к тому, что установка вырабатывает 50−60% расчетного количества энергии. Затем следует обосновать оптимальные сроки службы и оптимальные показатели надежности ветроэнергетической установки, решить вопросы резервирования, изучить характеристики потребителей, рассмотреть область целесообразного использования ветроэнергетических установок в зависимости от конкретных условий. Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:

• — положению ветроколеса относительно направления ветра;
• — геометрии ветроколеса;
• — по мощности ветроустановки.

В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные — с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные — с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку. Ветроколеса с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции. Следует отметить, что ветроколеса с вертикальной осью вращения, в отличие от таковых с горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальными недостатками являются большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроагрегатов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов вертикально-осевых установок. По мощности ветроустановки делятся на: малой мощности — до 100 кВт, средней — от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного класса) — 0,5−4 МВт и более. Однако, несмотря на многие положительные черты ветроэнергетики, существует и ряд недостатков. Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит. Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно. Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности.

Таблица 1. Возможности использования энергии ветра в СНГ

Район.	Средняя скорость ветра, м/c.	Возможные типы ВЭС.
Побережье Ледовитого океана, отдельные места у берегов Каспийского моря.	> 6.	Крупные ВЭС по 3 — 4 МВт.
Европейская часть СНГ, Западная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка.	3,5 — 6.	ВЭС средней мощности.
Юг Средней Азии, Восточная Сибирь.	< 3,5.	Мелкие ВЭС для решения локальных задач.

Как следует из приведенных выше цифр, мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках — 200−250 кВт. Но и при столь малых мощностях, ветроагрегаты — довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат «Сокол» мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12 м (который принято называть «колесом», хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100 кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки «Гровиан» обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т. е. выше 30-этажного дома. И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает этот огромный аппарат сравнительно небольшую мощность — всего 3−4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре, средняя мощность оказывается и того ниже — порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0,11% всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02% электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью 4 млн. кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов. Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн. штук. При таких масштабах количество, как говорится, переходит в качество, и возникают проблемы совсем иного рода. Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т. е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб/кВт. В то же время, наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра 6 м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс. руб. (в ценах 1989 г.), т. е. для нее капзатраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3−4 раза меньше максимальной, то реальные капзатраты составят порядка 20 тыс. руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.