Ветровые электростанции. 
Общая энергетика

Человек начал использовать энергию ветра еще до того, как научился «укрощать» реки. Энергия ветра отличается своей доступностью и дешевизной. Ее годовые потенциальные запасы на Земле огромны. Они в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара и составляют, таким образом, около 3300−10¹² кВт-ч. Правда, считается возможным практически использовать лишь 10−20% этих запасов. Но и это много. В некоторых районах Земли энергетический потенциал ветровой энергии соизмерим с энергией солнечного излучения.

СССР также обладает большими потенциальными запасами энергии ветра, равными в мощностном эквиваленте примерно 11−10⁹ кВт, что в 40 раз больше установленной мощности всех электростанций страны на начало 1981 г.

Принцип использования ветровой энергии прост, широко известен и не нуждается в пояснении. Отметим, однако, что ветровой поток, воспринимаемый ветровым колесом, определяется лишь его диаметром и не зависит от числа лопастей.

Установлено, что мощность воздушного потока N_B._n, кВт, проходящего через сечение площадью F, перпендикулярное направлению этого потока, выражается формулой.

N_вп=0,0049pv³F, (8.1).

где v-скорость воздушного потоки, m^j/c; F — площадь сечения, м²; р — плотность воздуха, зависящая от его температуры и атмосферного давления, кг/м³.

Мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой (ВЭУ), отличается от мощности, развиваемой воздушным потоком, потерями, связанными с преобразованием механической энергии в электрическую (в редукторе и генераторе), а также потерями энергии ветрового потока в процессе взаимодействия его с лопастями ветрового колеса. Последние определяются так называемым коэффициентом использования энергии ветра. Выражая площадь F в (8.1) через диаметр ветрового колеса D, м, получаем мощность ветроэнергетической установки, кВт:

ЛГ_вэу = 0,00386pvD²оз_pз_r, (8.2).

где з_p и з_r — к. п. д. соответственно редуктора и генератора.

Будем называть ветровой электростанцией (ВЭС) совокупность нескольких ВЭУ.

Подсчитано, что коэффициент использования энергии ветра для крыльчатых ветродвигателей доходит до 0,48, а общий к. п. д. ветроустановки имеет несколько меньшее значение. Однако неравномерность скорости ветра, неопределенность времени возникновения и продолжительности его, пространственная рассредоточенность ветровой энергии долгое время не позволяли широко использовать ее в системной энергетике. В условиях энергетического кризиса в ряде стран в последнее время рассматривается ветроэнергия с новых энергоэкономических позиций, в частности с позиций возможности получения дополнительной выработки электроэнергии и соответствующей экономии органического топлива.

Для устранения влияния непостоянства ветровой энергии много усилий направляется на изыскание способов ее резервирования, в частности использование аккумулирования. В последнее время предложено множество разнообразных аккумуляторов энергии, в том числе устройств для электролиза воды. Получаемые кислород и водород хранятся под давлением в изолированных резервуарах и при необходимости могут быть использованы (например, в топливных элементах).

Известны также механические, пневматические, электрохимические, тепловые, гидравлические и другие аккумуляторы. Все чаще обсуждаются в печати заманчивые перспективы совместной работы ВЭС и ГАЭС.

Следует сказать, что аккумулирование энергии, видимо, в ближайшее время не сможет снять все недостатки ВЭС, связанные с непостоянством ветровой энергии, и работа таких электростанций в энергосистеме будет иметь ограничения. Поэтому ведутся исследования, направленные па дальнейшее совершенствование аэродинамических, механических и электрических характеристик отдельных ветроэнергетических установок для работы их в составе ВЭС в энергетической системе. Однако последняя не всегда заинтересована в получении от ВЭС мощности и электроэнергии. Так, в ночное время (см. § 3.5) современные энергосистемы смогут использовать ВЭС, очевидно, лишь в том случае, если это не повлечет за собой недопустимого снижения нагрузки на ТЭС. Вместе с тем это не исключает возможность работы ВЭС в ночное время на потребителей, функционирующих в режиме аккумуляторов энергии.

Заслуживает внимания и работа ВЭС в энергосистеме по свободному графику. В этом случае энергетическая система будет играть роль демпфирующего аккумулятора в пределах возможности временного снижения ее нагрузочного резерва (см. § 8.4). Работая в таком режиме, ВЭС позволяет или экономить топливо в системе (за счет соответствующего снижения нагрузки ТЭС), или получать дополнительную выработку электроэнергии.

В результате проведенных исследований по оптимизации профиля лопастей ВЭУ удалось повысить выработку электроэнергии ветрового колеса примерно в 2 раза по сравнению с «ветряками» 60-х годов. В настоящее время при аэродинамически совершенных ВЭУ фронт ветра площадью 2,6−10⁶ м² может обеспечить мощность 150 МВт при скорости-ветра не менее 6−8 км/ч. Однако при создании современных ВЭС пока еще повсеместно ориентируются на небольшие единичные мощности агрегата (0,2−3 МВт).

При сооружении мощных ВЭС (несколько сотен меговатт), предназначенных для работы в энергетических системах, приходится учитывать ряд особенностей, вытекающих из специфики работы ветрового колеса отдельно взятой ВЭУ. К числу их следует отнести, прежде всего, размещение ветроэнергетических установок по территории ВЭС. Дело в том, что ветровые колеса ВЭУ оказывают взаимовлияние на формирование воздушных потоков всей ВЭС, создавая взаимопомехи, приводящие к потерям энергии. Поэтому размещение ВЭУ должно производиться при условии минимума взаимовлияния ВЭУ при любых возможных направлениях ветра и с учетом возможно меньшей отчуждаемой ими территории. Учет этих противоречивых требований вызывает некоторые затруднения.

В настоящее время не ясен вопрос об экономической эффективности системной ветроэнергетики, но не вызывает сомнений, что эта эффективность со временем, по мере повышения цен на топливо, будет расти. Сейчас ВЭС конкурентоспособны лишь с небольшими дизельными и тепловыми электростанциями, работающими на привозном топливе.

Ветровые электростанции не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнергетика экологически абсолютно «чиста». Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что<�для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только изменят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории. Мощное вращающееся ветровое колесо создает экранирующее действие, аналогичное тому, которое оказывает возвышенность площадью несколько десятков квадратных километров и высотой 150−200 м. При работе ВЭС возникают помехи для приема телевизионных и радиопередач Есть и другие формы воздействия ВЭС на окружающую среду.

Несмотря на недостатки ветроэнергетики, перспективы использования ВЭС в ряде развивающихся и промышленно развитых стран оцениваются довольно высоко. Так, до данным доклада Шведского института метеорологии и гидрологии к 1990 г. с помощью ВЭС будет вырабатываться около 20% всей электроэнергии страны (по другим данным-10%). Исследуется возможность использования энергии ветра при мощности ВЭС до 400 МВт.

По данным американских исследований энергетический потенциал ветров над континентальной частью и побережьем США в 10 раз превышает прогнозные потребности США в электроэнергии в 2000 г., т. е. если бы в США начали широко использовать энергию ветра, то к 2000 г. 20% потребности США в электроэнергии можно было покрыть за счет ВЭС.

В США в настоящее время исследования в области ветроэнергетики проводятся в рамках национальной программы. Их целью является разработка и сооружение опытных образцов трех типов быстроходных ВЭУ с ветровыми колесами диаметром 38, 60 и 90 м. В первом случае ВЭУ развивают мощность 100−200 кВт, во втором-500−2000 кВт и в третьем -2500−3000 кВт. В настоящее время построено и находится в опытной эксплуатации несколько ветроэнергетичеких установок мощностью от 100 до 2500 кВт. Продолжаются исследования по определению технико-экономических показателей при работе ВЭС большой мощности в энергетических системах.

В США разработан принципиально новый тип ВЭС, позволивший значительно увеличить установленную мощность агрегата. Ветродвигатель состоит из цилиндрической полой башни (рис. 8.11), в стенках которой имеются вертикальные щели, снабженные створками (жалюзи). Открытая сверху башня имеет полое конусное основание с проемами на его боковых стенках для входа воздуха. В горловине основания размещается воздушная турбина, вал которой через маховик и муфту соединяется с вертикальным валом генератора.

Принцип действия такого агрегата сводится к следующему. Воздушный поток, поступая внутрь башни через открытые с наветренной стороны створки в тангенциальном направлении, обтекает цилиндрические стенки башни, в которых жалюзи закрыты, и, приобретая круговое спиральное движение, завихряется. При этом окружная скорость слоев по мере приближения к выходу из башни все время увеличивается вследствие уменьшения радиуса вращения. В результате этого внутри башни образуется вихрь, в центре которого создается область пониженного давления — «стержень». Наружный воздух через проемы на боковых стенках конусного основания под действием избыточного давления устремляется в основание «стержня» и, перемещаясь вверх, вращает лопасти воздушной турбины, а следовательно, и вал генератора.

Такой вихревой ветродвигатель может работать при слабом ветре и даже при его отсутствии. В этом случае достаточно иметь перепад температур на дне и в верхней части башни не менее 10° С. Для подогрева воздуха в основании башни устанавливается подогревательная камера, в которой используется, например, теплая вода конденсаторов ТЭС, солнечная энергия и т. п. Подобный ветровой двигатель может обеспечить значительную единичную мощность и противостоять разрушительным воздействиям ураганных ветров (при открытых створках ветер, продувая башню насквозь, не оказывает давления на ее стенки).

Широкий интерес к ветроэнергетике наблюдается в ФРГ, Японии, Австралии, Дании, Нидерландах и многих других странах. Во многих проектах ВЭС предусмотрены различные средства аккумуляции энергии для обеспечения бесперебойной подачи энергии при недостаточной скорости ветра, что удорожает установку. Себестоимость получаемой электроэнергии пока еще выше, чем в среднем на ТЭС и тем более на ГЭС. В настоящее время разрабатываются новые типы ВЭУ мощностью в десятки и сотни мегаватт.

В Советском Союзе ветроэнергетика начала развиваться в 20-е годы, когда в ЦАГИ был организован отдел ветродвигателей. Еще до Великой Отечественной войны были сконструированы разнообразные ветросиловые установки. В 1931 г. в Крыму была построена опытная ВЭС мощностью 100 кВт. Но во время войны станция была разрушена. В 1938 г. на вершине Аи-Петри было начато строительство ВЭС мощностью 5 МВт, но война не дала возможности завершить ее строительство.

В настоящее время в Советском Союзе ведутся интенсивные работы по созданию ВЭУ различного назначения. Разработано более 10 типов ветродвигателей малой мощности, используемых, главным образом, в сельском хозяйстве. Строятся ВЭС мощностью от 400 до 1250 кВт. Одна из таких электростанций построена, например, и колхозе «Авангард» близ Целинограда.

Имеется предложение о размещении ВЭС на бычках плотин ГЭС. Свободные площади позволяют установить на них фермы с ветровым колесом диаметром около 30 м. На высоте нескольких десятков метров (высота плотины плюс, по крайней мере, полтора размера диаметра колеса), а то и нескольких сотен метров (Нурекская, Братская, Саяно-Шушенская, Токтогульекая, Ингурская ГЭС и др.) всегда дуют достаточно интенсивные ветры. Расчеты показывают, что можно получить дополнительную мощность в десятки мегаватт. Правда, есть и трудности, вызываемые взаимовлиянием ВЭУ, снижающим их энергетическую эффективность, и особенно тогда, когда направление ветра совпадает с осью плотины или близко к ней.

Хотя система получит в общем незначительную дополнительную мощность, ню эта мощность может быть направлена на аккумулирование гидроэнергии, использование которой, конечно, будет более эффективным, чем ветровой.