Как работает ветроэлектрическая установка (ВЭУ)

Современные ВЭУ — это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт. Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого «активного» типа (карусельного типа, Савониуса и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от выше указанных ветроколес, использующих подъемную силу). Однако такие установки имеют очень низкий КПД (менее 20%), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

Устройство ветроэлектрической установки

Основные компоненты установок обоих типов:

ь 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 — обычно переменная;

ь 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;

ь 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;

ь основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину.

Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Диапазон размеров ветроэлектрических установок Размер ВЭУ зависит от предполагаемого использования. Основной характеристикой, определяющей размер этих систем, является мощность ветроагрегата. Например, для работы на сеть возможно применение ВЭУ мощностью 50 кВт и выше. ВЭУ меньшей мощности обычно используются как автономные. Например, ВЭУ для электроснабжения жилого дома может быть мощностью от нескольких сотен Вт до 10 кВт в зависимости от нагрузки и энергопотребления. В состав подобных ВЭУ обычно входят АБ, а во многих случаях и дизель-генератор в качестве резервного источника энергии во время длительных периодов безветрия.

Небольшие предприятия и удаленные поселки могут использовать ВЭУ существенно большей мощности. Маломощные турбины (менее 1 кВт) могут быть использованы для заряда аккумуляторов и электроснабжения малой нагрузки (связь, освещение, электроинструмент, телевизор и т. п.).

Ветряные мельницы Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока.

Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг.

Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.

Так как наша страна находится в умеренной ветровой зоне, то нам особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор, при планировании ВЭУ. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.

Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. По данному типу спроектирована одна из ВЭС в Беларуси (ВЭУ в Мядельском районе мощностью 250 кВт. Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии.

По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4−5 м/сек), высокой номинальной скорости (8−15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3−5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $ 1000-$ 1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

Развитие ветроэнергетики в мире. Экономика ветроэнергетики Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. Последние инженерные успехи в строительстве ветровых генераторов, способных работать при низких скоростях, делают использование ветра экономически оправданным. Однако ограничения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных районах, значительно снижают потенциал этого источника энергии.

Установленная мощность ветровых электростанций Германии в 2001 г. достигла 8754 МВт, что составило 36% от уровня мировой установленной мощности в области ветроэнергетики; в 2002 г. — 12 001 МВт, или 38,5%. До 2020 г. Германия планирует довести долю использования энергии ветра в национальном энергобалансе до 30%. В стране одобрен проект массового развития оффшорных ветроэлектростанций. Согласно плану развития ветроэнергетики в стране, от них планируется получать 75−80 ТВт ч электроэнергии ежегодно, начиная с 2030 г.

Установленная мощность ветровых электростанций Испании в 2001 г. достигла 3337 МВт, в 2002 г. — 4830 МВт; ветровых электростанций Дании в 2001 г. — 2383 МВт, в 2002 г. — 2880 МВт. В Дании до конца 2003 г. будет введено в строй приблизительно 250 МВт новых мощностей. Дания производит около 18% электроэнергии за счет ветровых установок.

В Великобритании утвержден план строительства ВЭС суммарной мощностью 400 МВт, а до 2010 г. планируется ввести в эксплуатацию ветроэлектростанций общей мощностью 6000 МВт и довести долю использования возобновляемых источников энергии в энергетику страны до 10%. С 2000 г. началось более активное развитие ветроэнергетики и в Австрии. ветровой электростанция энергия установка Ветроэнергетика занимает одно из приоритетных направлений и в США. Мощность установленных ветроэлектростанций США в 2001 г. увеличилась на 1694 МВт, что достаточно для обеспечения электричеством 1,4 млн типичных домов, согласно данным Энергетического Фонда, расположенного в Сан-Франциско и занимающегося изучением энергетической политики в США. Более половины от этой мощности, 915 МВт, было установлено в штате Техас. Калифорния установила 69 МВт. Стоимость произведенной энергии на ветроустановках в 2001 г. составила 4 цента за 1 кВт ч. Планируется эту цену снизить до 3 центов за 1 кВт ч. В Соединенных Штатах, в рамках развития ветроэнергетики разработан 300 МВт-ный проект «Stateline Wind Project», который находится в настоящее время в стадии строительства на границе между штатами Орегон и Вашингтон. К 2010 г. США планируют довести суммарную мощность своих ВЭС до 16 000 МВт, а к 2020 г. США планирует довести долю использования энергии ветра в национальном энергобалансе до 24%. Ветроэнергетическое подразделение Дженерал Электрик (GE Wind Energy) производит 14% всех ветровых мощностей в мире.

Ветроэнергетика развивается и в Южной Америке. Например, Бразилия в 2001 г. приняла решение об осуществлении масштабной ветроэнергетической программы, которая в течение двух лет должна обеспечить около 4000 МВт ветроэнергетических мощностей.

Ветроэнергетика развивается и в восточных странах. Программа развития ветроэнергетики Китая предусматривает достижение установленной мощности в 2 500 МВт к 2005 г. До 2020 г. Китай планирует довести долю использования энергии ветра в национальном энергобалансе до 15%. В десятку лидеров по использованию энергии ветра вошла Индия.

Немецкий производитель ВЭУ — фирма «Энеркон» («Еnеrсоn») занимает первое место в мире по производству ветровых станций и контролирует примерно 43% рынка. За ней следует датская компания «Вестас» («Vestas»), производящая около 14% всех ветровых мощностей в мире.

На июнь 2012 года суммарные установленные мощности всех ветрогенераторов мира составили 254 ГВт. Среднее увеличение суммы мощностей всех ветрогенераторов в мире, начиная с 2009 года, составляет 38−40 гигаватт за год и обусловлено бурным развитием ветроэнергетики в США, Индии, КНР и ФРГ. Предполагаемая мощность ветряной энергетики к концу 2012 года по данным World Wind Energy Assosiation приблизится к значению в 273 ГВт.

Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов.

В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44% установленных ветряных электростанций, в Азии — 31%, в Северной Америке — 22%.

Использование энергии ветра в различных государствах набирает силу, что находит подтверждение в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Суммарные установленные мощности, МВт, по странам мира 2005—2011 г. Данные Европейской ассоциации ветроэнергетики.

В то же время, по данным European Wind Energy Association, суммарная вырабатываемая мощность ветряной энергии в России за 2010 год составила 9 МВт, что приблизительно соответствует показателям Вьетнама (31 МВт), Уругвая (30,5 МВт), Ямайки (29,7 МВт), Гваделупы (20,5 МВт), Колумбии (20 МВт), Гайаны (13,5 МВт) и Кубы (11,7 МВт). В 2011 году ветряные электростанции Германии произвели 8% от всей произведённой в Германии электроэнергии. В 2011 году 28% электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра.

Таблица 1.2.

Суммарные установленные мощности, МВт по данным WWEA.

Опыт освоения энергии ветра в развитых государствах показывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200 — 500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт*ч электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанциях, дешевле, чем на теплоэлектростанциях.

Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Себестоимость электричества, 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 на угольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт· ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт· ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35—40% к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $ 0,38.

В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперед» или спотовом режиме превышает 95%.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительной величины у основной массы производств по сравнению с другими затратами; ключевыми для потребителя остаются надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, являются:

• · необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220 В 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 с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды.

Развитие ветроэнергетики в РБ Хотя средняя скорость ветра в РБ считается недостаточной для массового развития ветроэнергетики, у нас существуют сотни отдельных мест и территорий, на которых можно установить современные ветроустановки.

По оценке комитета экономики ТЭК и химпрома Минэкономики РБ потенциал ветровой энергии в Беларуси составляет 150 Мвт. Однако средняя скорость ветра в нашей стране — 4,1 м/с (в Голландии — до 15 м/с). Это позволяет использовать лишь 1,5−2,5% ветровой энергии. Кроме того, энергия ветра — величина непостоянная, помимо ветряков, необходимо ставить резервные мощности по производству электроэнергии. В настоящее время кадастр ветроэнергетических площадок включает 800 позиций на территории РБ.

Работы по оценке ветроэнергетического потенциала Республики Беларусь выполнены совместно НПГП «Ветромаш», РУП «БелЭнергосеть-проект» и Госкомитетом по гидрометеорологии.

Исследованиями по 244 контрольным точкам, включая 54 метеостанции (статистика — за 25 лет), 190 контрольным пунктам на территории Республики Беларусь и в стокилометровой зоне за рубежом ветроэнергетический потенциал Беларуси оценен в 220 млрд кВт ч. Определен также ветроэнергетический ресурс по областям и каждому району.

Республика может покрыть до 50% потребности в энергии, использовав только 10% пригодной под ветроэнергетику территории. На этой территории выявлено 1840 площадок, на которых могут быть размещены ВЭУ, широко используемые в мировой ветроэнергетике. Выявленные площадки — это в основном гряды холмов высотой от 20 до 80 м, где фоновая скорость ветра может достигать 5−8 м/с и на каждой из них можно разместить от 3 до 20 ВЭУ с номинальной рабочей скоростью ветра 12−15 м/с. На остальных территориях каждому внедрению должно предшествовать детальное обследование места строительства ВЭУ. Невыполнение условий по результатам обследований приведет к значительным ошибкам в оценке выработки энергии. Энерговыработка в случае строительства ВЭУ на территории регионов со среднегодовой скоростью 7,0 м/с и выше (регионы III, IV, V) составит более 20,0 млрд кВт ч в год. Этот потенциал наиболее эффективно может быть освоен в случае подключения ВЭУ к общей сети. ВЭУ целесообразно объединять в ВЭС из расчета 5−9 и более ВЭУ на 1 км².

В 1999 году были построены ветроэлектроустановки на ветреной возвышенности в деревне Дружная (Мядельский район). Эта немецкая ветроустановка мощностью в 250 кВт является первой в Беларуси. Вторая ветроэлектроустановка мощностью в 600 кВт была построена осенью 2001 года; 18-го мая 2002 года состоялось ее торжественное открытие, за 2007 год ими выработано 1,58 млн. кВт*ч электроэнергии. Коэффициент использования данных установок 25%, что является нормальным показателем.

В 2010 году Минэнерго ввело в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью около 20 МВт. В 2008, согласно плану, были построены ветроустановки в РУП «Гродноэнерго» и ОАО «Гроднохимволокно». В Государственной программе Республики Беларусь прогнозируемые годовые объемы использования энергии ветра для получения электроэнергии к 2012 г. оцениваются в 9,31 млн. кВт*ч при общей установленной мощности 5,2 МВт. На 1 января 2005 г. общая мощность ВЭУ составила 1,1 МВт, объем замещения по вырабатываемой электроэнергии около 3,25 млн. кВт*ч в год. Всего на территории республики выявлено 2000 площадок (наибольшее количество находится в Минской, Витебской и Гродненской областях), пригодных для размещения ВЭУ промышленного типа, с общей мощностью около 1600 МВт. В Беларуси в соответствии с проектом до 2014 года предлагается ввести всего 10 ветроустановок с общей мощностью 15 МВт. Они позволят суммарно вырабатывать около 44 млн. кВт*ч электроэнергии в год, окупаемость таких проектов не превысит 14 лет. Согласно расчетам экспертов, ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс. т угля. Кроме того, сокращаются выбросы углекислого газа и других веществ в атмосферу. К тому же, продажа на углеродном рынке объемов сокращения выбросов парниковых газов от предполагаемого ветропарка может принести дополнительный доход в 500 тыс. евро за 5 лет.

В нашей республике ведутся работы по созданию ВЭУ. Отличительная особенность: они вступают в работу при скорости ветра х₀ = 3 м/с. Коэффициент использования энергии ветра ветроколесом с цилиндрическими лопастями близок к 0,5. Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения угловой скорости вращения лопастей щ_л. В 1996 г. была создана и испытана экспериментальная ветроустановка ВЭУ-250. Однако освоение производства таких ВЭУ требует дополнительных исследований, создания соответствующих производственных мощностей и финансирования.

В середине августа 2007 года в СЭЗ «Брест» начала работать первая на Брестчине ветроэнергетическая установка.

Энергия ветра, преобразованная в электрическую, используется на автозаправочной станции, принадлежащей совместному белорусско-итальянскому предприятию «БелТрансОйл». СП (совместное предприятие) «БелТрансОйл» в сутки потребляет 30−35 кВт/ч электроэнергии, что обходится предприятию в течение года в 50 тыс. долларов. Использование ВЭУ позволит экономить до 10% финансовых средств.

На въезде в д. Занарочь германским благотворительным общественным объединением «Дома вместо Чернобыля» для переселенцев из Чернобыльской зоны были построены две ВЭУ. На 50-метровой башне установлена ветровая турбина Nordex мощностью 250 кВт, а на 60-метровой цельнометаллической опоре — Repower мощностью 600 кВт. Обе установки производят в год около 140 кВт электроэнергии. Ученые ведут постоянное наблюдение за их работой. Анализ данных показывает, что наши показатели ничуть не хуже, а иногда даже лучше зарубежных Ветер нашу республику не обходит стороной. Остается только использовать его бесплатную энергию.

Основным направлением использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет применение их для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании с МГЭУ для перекачки воды. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Готовится к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5−8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разрабатывается и готовится к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом.

Таблица 2.1.

Сведения о ветроэнергетических ресурсах Беларуси на 2008 г.

При освоении направления использования энергии ветра следует обратить внимание на преимущества и недостатки от использования ВЭУ.

Преимущества использования ветротехники:

• 1. Экологическая чистота при производстве электрической энергии. Энергия ветра, являясь возобновляемой, исключает потребление органического и ядерного топлива, засоряющих окружающую среду вредными выбросами, отрицательно влияющими на животный и растительный мир.
• 2. Отчуждение земель под строительство ВЭУ незначительно. Ветротурбины располагаются в одиночку или группами (ветропарки ВЭС, расстояние 25−30 м друг от друга), т. е. на площади размещения остается достаточно места для производства сельскохозяйственных работ или для выпаса скота.

Недостатки использования ветротехники:

• 1. Мощность ВЭУ изменяется с изменением скорости ветра в кубе. Эти изменения могут не согласовываться с потребностями в энергии в данный период времени. Для эффективного использования вырабатываемой энергии ее направляют в энергосистему либо аккумулируют в другом виде энергии (тепловая энергия, сжатие воздуха и т. д.).
• 2. Наличие шума. Однако расположение ВЭУ на определенном расстоянии исключает возможность шумового воздействия. Опыт многих европейских государств показывает, что определенные конструкции ВЭУ уже устанавливаются в пригородах достаточно крупных городов, вблизи жилищ, не мешая нормальной жизнедеятельности.