Добыча электроэнергии с помощью «летающих электростанций»

Практически вся электроэнергия производится установками, использующими энергию природных ресурсов. Темпы производства постоянно увеличиваются, и полезные ископаемые рано или поздно закончатся. В связи с этим, уже сейчас ведутся перспективные разработки, внедряются новые технологии, выступающие в качестве альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов являются ветряные электростанции, применяемые в производственной сфере и в частном секторе. Превращая энергию ветра в электричество, они способны обеспечить основные потребности в питании приборов и электрооборудования.

Физические основы ветроэнергетики. Характеристики ветра

Первопричиной образования ветра, так же как и многих других динамических явлений, происходящих на поверхности Земли и в ее атмосфере, является энергия Солнца. Прямое поглощение солнечной энергии атмосферой весьма незначительно, поскольку активно поглощают ее только водяной пар, озон, углекислый газ и пыль. Что касается основных компонентов воздушной оболочки азота и кислорода, то эти газы для солнечных лучей прозрачны. Поэтому основная часть солнечной энергии передается атмосферному воздуху от нагретой поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, молекулярной диффузии, конвективного теплообмена и прочих физических явлений.
Воздух, нагреваясь возле поверхности Земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву, и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности Земли во времени и пространстве, приводит к возникновению атмосферной циркуляции (рис. 1).

Рис. 1. Атмосферная циркуляция воздуха от экватора к северному полюсу

Под влиянием циркуляций перемещение воздушных масс совершается как во времени, так и в пространстве:

• микромасштабные (продолжительность до 1 ч, перемещение на расстояние не более 20 км),
• синоптические (продолжительность более двух суток, перемещение на расстояние более 500 км),
• мезомасштабные (на расстояния, промежуточные между указанными выше).

Влияние форм и размеров океанов и материков искажает общую стабильную картину циркуляций вдоль побережий. С удалением от побережий циркуляция стабилизируется, но, тем не менее, влияние местных особенностей на скорость ветра иногда значительно (рис. 3).

Рис. 3. Влияние на скорость ветра рельефа и шероховатости поверхности земли

В ветроэнергетических расчетах исходные характеристики общего уровня интенсивности ветра определяются по метеорологическим данным за длительный период времени, сопоставимый с предписанным сроком эксплуатации ветроэнергетической установки 20–25 лет.

Средняя скорость ветра определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда замеров скорости ветра, выполненных через равные интервалы времени в течение заданного периода.

Фоновая скорость ветра – это приведенная расчетным путем к условиям открытой (без влияния крупных водных массивов) ровной местности в приземном слое на высоте 10 м от поверхности земли средняя годовая (сезонная или месячная) скорость ветра за 20–25-летний период, оцененная многолетними исследованиям государственных метеорологических станций и постов (рис. 5).

Рис. 4. Фоновая скорость ветра (высота 10 м)

Для оценки эффективности использования ВЭУ необходимо знать среднегодовую скорость ветра на высоте опоры. Приблизительно эту скорость можно рассчитать с помощью следующей эмпирической формулы:

где Uх, Uф – скорости ветра на высотах h10 = 10 м и hх= х м; m – показатель степенной функции.

Скорость ветра на высоте 10 м (см. рис. 4), как уже упоминалось, измеряется метеорологическими станциями. Значения m во многих работах принимается m = 0,143. В нормативных документах рекомендуют m = 0,2.

Один из примеров расчета скорости ветра на высоте 60 м показан на рис. 5. Однако для принятия решений о финансировании строительства ветроустановок расчетных значений скорости ветра недостаточно. Необходимо проводить практические измерения на высоте размещения ветротурбины (80–120 м) в течение года. Для этих целей строятся мачтовые конструкции и используется специальное оборудование с дистанционной передачей данных о скорости и других параметрах в онлайн режиме.

Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию, т. е. энергию воздушной массы плотностью r (кг/м3), имеющую скорость v (м/с).

Плотность воздуха ρ при нормальных условиях равна 1,225 кг/м3. Ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение площадью 1 м2 обладает энергией 20 Вт.

Основным показателем эффективности ветроустановок является коэффициент использования энергии ветрового потока ξ (коэффициент использования мощности ветрового потока), т. е. отношение величины механической энергии, развиваемой ветродвигателем, к полной энергии ветра, проходящей через ометаемую ветродвигателем площадь (идеальная величина ξ = 0,593). Под ометаемой площадью понимается площадь круга, создаваемого ветроколесом при вращении.

Рис. 5. Фоновая скорость ветра (м/с) (высота 60 м, расчетные значения)

Эффективность использования энергии ветра зависит от количества дней в году, в течение которых скорость ветра достаточна для работы ветроустановок. Оценивается с помощью коэффициента использования мощности (the capacity factor) – отношение фактически выработанной энергии к теоретически возможной.

Типовое значение коэффициента – 15–40 % (максимальное значение достигается для площадок с высокими ветровыми нагрузками). Среднее значение коэффициента для ветроэнергетики Германии в 2012 г. составило 17,5 %, в Европе – 20–25 %, ВЭУ 1,5 МВт в Грабниках (Новогрудский р-н) – 32 %.

Пример: турбина, мощностью 1 МВт с коэффициентом использования мощности 35 % не произведет 8760 МВтчас в год (1 × 24 × 365 = 8760), а только 1 × 0,35 × 24 × 365 = 3066 МВт·час, т. е. ее фактическая мощность будет 0,35 МВт.

Современные способы производства электричества из энергии ветра

На сегодня самым распространенным способом преобразования энергии потоков ветра является использование ветрогенераторов. Это устройства, преобразующие энергию потока во вращательное движение, передающееся на генератор, который производит электрический ток. С генератора производится заряд аккумуляторной батареи, которая, разряжаясь, через инвертор питает потребителей.

Примечательно, что все разнообразие конструкций и типов ветряков практически никак не сказывается на состоянии электроники — ее состав, начиная с генератора, одинаков для всех видов установок и различается только по мощности.

Все разнообразие конструкций относится лишь к вращающейся крыльчатке. Здесь имеются разные варианты конструкции:

• горизонтальные
• вертикальные

Наименования этих групп означают расположение оси вращения ротора. Горизонтальные конструкции несколько эффективнее, что стало причиной использования их в крупных ветротурбинах. Вертикальные устройства, в свою очередь, более приспособлены к обслуживанию небольших частных хозяйств, домов, линий освещения или водоснабжения.

Возросший интерес к ветроэнергетическим установкам послужил толчком к росту разработок различных вариантов конструкции ветряка. Основным направлением поисков конструкторов является оптимальный вариант крыльчатки, способный вращаться при слабом ветре. Это актуально для условий России, так как преобладающие ветра в нашей стране относятся к слабым и, в меньшей степени, средним.

Помимо роторных установок рассматриваются и другие конструкции. Например, голландские конструкторы разработали ветряк, работающий на каплях воды. Они переносят заряд с одного электрода на другой, повышая его потенциал. Разработка совершенно новая, никаких характеристик в свободном доступе пока не имеется, но интерес к такой конструкции весьма высок.

Классификация ветроэнергетических установок (ВЭУ)

Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Ветроэнергетические установки укрупненно можно классифицировать по мощности (рис. 6), месту расположения (на суше – оншорные) и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные) (рис. 7), а также по конструкции (ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения ветроколеса (см. рис. 8, рис. 9).

Рис. 6. Классификация ВЭУ по мощности

Рис. 7. Расположение ВЭУ на суше и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные ВЭУ)

Рис. 8. Общий вид ВЭУ с вертикальной осью вращения

Конструктивные особенности ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Как видно из рис. 9, 10 конструкция ВЭУ включает механическую, аэромеханическую и электрическую (электронную) части. Это разделение достаточно условное, так как, например, следящая система включает и механическую, и электронную составляющие.

Рис. 9. Типовые конструктивные элементы ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Рис. 10. Элементы конструкции, расположенные в гандоле: 1 – втулка ветроколеса; 2 – обтекатель; 3 – генератор; 4 – мультипликатор; 5 – следящая система; 6 – дисковый тормоз; 7 – основной вал; 8 – подшипник азимута; 9 – рама гондолы

Гандола с ветроколесом называют ветрогенератором. Ветрогенератор размещается (монтируется) в верхней части башни (рис. 11). башни современных ВЭУ имеют телескопическую форму и собираются на фундаменте установки из ряда секций с помощью мощных резьбовых соединений.

Рис. 11. Монтаж башни современной ВЭУ

Ротор ветрогенератора (рис. 12) состоит из ветроколеса и первичного вала, с которого энергия ветра передается на рабочие механизмы ВЭУ.

Рис. 12. Конструкция ротора ветрогенератора

Ветроколесо представляет собой втулку, с прикрепленными к ней лопастями (рис. 13).

Рис. 13. Конструкция ветроколеса ВЭУ

Мультипликатор (редуктор) (рис. 14) повышает обороты первичного вала до рабочего значения оборотов генератора (с 15–20 до 1800 об/мин).

Рис. 14. Общий вид мультипликатора ВЭУ

Редуктор является сложным механическим устройством, которое содержит множество деталей (шестерни, оси, червячные механизмы и т. п.). Поэтому редуктор является одним из наименее надежных устройств ВЭУ. При выходе его из строя замена или ремонт учитывая высоту современных ВЭУ (80–120 м) является дорогостоящей операцией. Решение этой проблемы найдено фирмой Enercon, которая разработала безредукторную конструкцию ВЭУ. Как видно из рис. 15 ось (ступица) ветроколеса ВЭУ соединяется непосредственно с осью генератора. Отсутствие необходимости повышать обороты на валу генератора достигнуто за счет применения многосекционной конструкции статора и ротора генератора.

Такие ВЭУ являются более надежными и долговечными, что выражается в более высокой их стоимости (на 10–20 %).

Более простую конструкцию имеют маломощные ВЭУ (30–5000 Вт) (рис. 16). Они применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме и др. (рис. 17).

Рис. 15. Конструкция безредукторного генератора и общий вид ВЭУ фирмы Enercon: hub – ступица; yaw system – отклоняющая система; canopy – крышка; bed plate – опорная плита; tower – башня; pitch controller – контроллер шага лопастей; yaw drive – привод отклонения; nacelle – гандола

Рис. 16. Общий вид маломощных ВЭУ

Рис. 17. Применение ВЭУ малой мощности

Широкое распространение получило направление строительства оффшорных ветропарков и, как следствие, появились ВЭУ, предназначенные для использования в шельфовых зонах водных бассейнов (рис. 18).

Рис. 18. Общий вид офшорных ветропарков

Достоинством офшорных ветропарков является возможность размещения большого количества ВЭУ высокой мощности, меньшее влияние на здоровье населения (шум, оптические эффекты и др.). Однако стоимость их строительства и обслуживание несколько выше, чем для ВЭУ наземного базирования.

В качестве преимуществ ВЭУ с горизонтальной осью вращения можно отметить:

• изменяющийся угол атаки лопастей ветротурбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;
• высокая мачта способствует использованию энергии ветра на большем расстоянии от земли, что повышает эффективность установки (с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра увеличивается на 20 %).

Недостатки ВЭУ с горизонтальной осью вращения:

• необходимость применения высоких мачт (башен) с высотой более 100 м и длинных лопастей затрудняет их транспортировку и монтаж (стоимость транспортировки и монтажа составляет до 20 % от общей стоимости проекта);
• для монтажа ветроустановок большой мощности требуется специальное оборудование (подъемное) и высококвалифицированные кадры, поэтому производство таких ВЭУ осуществляется только небольшим количеством стран;
• из-за больших размеров ВЭУ они оказывают помехи на радиосвязь и работу радиолокационных установок;
• необходимость в специальных системах ориентации ветротурбины на ветер.

Назначение ветряных электростанций

Для удовлетворения ежедневной потребности потребителя требуется эксплуатация оборудования, которое способно выдавать до 10 кВт электроэнергии. При этом идеально смонтированная ветряная система должна состоять из нескольких ветрогенераторов, которые аккумулируют энергию в общую батарею. Это позволяет корректировать выходную мощность аккумулятора, подключая дополнительные или отключая лишний ветряк.

Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ с вертикальной осью вращения

В настоящее время используются разновидности конструкций роторов ВЭУ с вертикальной осью вращения: Савониуса; Савониуса спиральной конструкции; Дарье; Гиромила; Геликоидый и др.

Ротор Савониуса создан одноименным финским инженером в 1922 г. (рис. 19, 30). Принцип его работы заключается в следующем. При воздействии воздушных масс на разомкнутые диафрагмы полукруглого или логарифмического профиля ветроротора

Савониуса, возникает разница сил сопротивления диафрагм ветровому потоку. При обтекании вогнутой диафрагмы коэффициент сопротивления ветровому потоку равен примерно 1,3. При обтекании этой же диафрагмы в противоположном направлении коэффициент сопротивления 0,35. Разница сил сопротивления приводит к созданию на приводном валу крутящего момента.

Рис. 19. Принцип работы и общий вид ротора Савониуса

В настоящее время выпускается несколько конструктивных вариантов ВЭУ на основе ротора Савониуса, которые отличаются компоновкой роторов, их количеством в установке, применяемыми материалами.

Рис. 30. Конструктивные варианты ВЭУ на основе ротора Савониуса

Высокая материалоемкость и трудности с балансировкой препятствуют промышленному изготовлению мощных ветророторов Савониуса. ВЭУ с такими ветродвигателями предназначены для автономных технологических объектов с невысокими потребляемой мощностью и качеством энергии.

В настоящее время диафрагмы роторов изготавливаются из пластика, что снижает их стоимость, упрощает балансировку.

Преимуществами ветроэнергетических установок этого типа являются низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3–5 м/с). Поскольку это ротор с вертикальной осью вращения, то он не нуждается в устройствах ориентировании на ветер, что значительно упрощает конструкцию – ветроколесо отличается исключительной простотой. Однако эта турбина являются самой тихоходной, и, как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра, всего 0,18–0,24 и коэффициент использования мощности – 17–18 %.

Ротор Дарье (французский авиаинженер, изобретение 1931 г.) представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках (рис. 31).

а б

Рис. 31. Общий вид и принцип работы ВЭУ на основе роторов Дарье

На каждое крыло, движущееся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным.

Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.

Турбина Гиромила (разновидность турбины Дарье) (рис. 32). В отличие от турбины Дарье лопасти имеют прямую конструкцию и следующие преимущества:

• высокий стартовый момент;
• широкая кривая вращательного момента;
• относительно низкая скорость вращения лопастей, меньшие напряжения на лопастях;
• более высокая эффективность;
• лучшая работа при ветровых турбуленциях.

Рис. 32. Общий вид ВЭУ на основе турбины Гиромила

Сила ветра

Энергия ветра использовалась ещё в древнем Вавилоне за несколько тысяч лет до нашей эры. Этот древний город находился на пике развития в шестом веке д. н. э. И в этот период было сделано немало значимых открытий. К примеру, появился аппарат для осушения болот. Крестьяне в Древнем Египте использовали энергию ветра в мельницах для помола муки. Между тем в древнем Китае воду с рисовых полей откачивали механизированными устройствами с лопастями, вращаемыми ветром. На европейском континенте первые механизмы, работающие от ветряной энергии, появились в XII столетии нашей эры.

Ветряная электростанция

При этом настоящий рывок в использовании энергии ветра произошёл только в прошлом веке. Появились ветряные электростанции, в которых ветер не просто вращал лопасти, а вырабатывал электричество, необходимое для работы самых разных устройств. Благодаря этому популярность «ветряков» резко возросла. Они стали появляться около частных домов и промышленных объектов. После этого вышло уже несколько поколения ветряных станций.
В первую очередь они стали появляться в прибрежных районах, где дует сильный ветер. Давайте, рассмотрим, что же представляют собой ветряные электростанции.

Автономное и сетевое использование ВЭУ

Несмотря на достаточно развитую систему государственного электроснабжения, всегда существует потребность в автономном энергообеспечении, независимом от централизованной поставки энергии. Вызвано это тенденцией развития мелких, но весьма эффективных фермерских хозяйств усадебного типа. Не исчезли проблемы в энергоснабжении и крупных сельскохозяйственных предприятий, объединяющих в силу своей производственной специфики, обширную сеть локально расположенных производственных объектов на довольно большом расстоянии от электросетей. Эта проблема может быть решена с применением автономных ветроэнергетических установок (рис. 33).

Рис. 33. Автономное использование ВЭУ

Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются также для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий.

Как видно из рис. 34 необходима система управления со специальным конвертором, который осуществляет преобразование постоянного тока в переменный, повышение до сетевого и стабилизацию напряжения. Кроме этого, для накопления электрической энергии и ее использование при отсутствии ветра в систему должны входить аккумуляторы требуемой емкости.

Рис. 34. Схема подключения автономной ВЭУ к потребителю

В состав автономной системы электрообеспечения могут входить и другие возобновляемые источники энергии (солнечные батареи) (рис. 35) и дизель-генератор, что обеспечит бесперебойное энергообеспечение автономного потребителя даже при длительном отсутствии ветра.

При подключении к сети электроэнергия, вырабатываемая ветроэнергетической установкой, расположенной на территории потребителя, может также использоваться в качестве дополнительного источника к общественному энергоснабжению. В условиях параллельного автономного электроснабжения вырабатываемая электроэнергия используется приоритетно для покрытия в энергии собственных нужд, а «излишки сдаются» в электросети по белее высоким («зеленым») тарифам.

Рис. 35. Схема комплексного использования ВИЭ для автономного энергообеспечения потребителей

В этом случае у потребителя должен быть установлен дополнительный счетчик электроэнергии (счетчик обратной последовательности), передаваемой в общественную сеть и ВЭУ зарегистрирована в Министерстве природных ресурсов и защиты окружающей среды, как возобновляемый источник.

Мощность подключаемой ветроэнергетической установки в этой ситуации должна быть не ниже 10 кВт. Максимальная мощность подключаемых ВЭУ не должна превышать 20 % мощности энергосистемы, так как могут возникать колебания частоты и напряжения.

Значительные проблемы для устойчивой работы энергосети, равномерности выработки и передачи в сеть электроэнергии представляют ветропарки с мощностями более 100 МВт (погода – зависимая поставка энергии).

Принцип работы и конструкция

Ветряная электростанция имеет достаточно простой принцип работы. Ветер вращает ротор с лопастями, который подключён к валу генератора. В некоторых случаях он подключается напрямую, но чаще через систему передач. Сегодня также существуют конструкции ветрогенераторов, где ветер не вращает лопасти, а давит на тарелку с поршнем. Объём вырабатываемой электроэнергии в ветряной электростанции зависит от диаметра лопастей и скорости вращения ветра.

Одна из разновидностей ветряного генератора
Чем сильнее ветер крутит лопасти, тем больше будет вырабатываемое электричество. Но выработка электричества зависит не только скорости ветра. Высота, на которую подвешивается ветрогенератор, также оказывает большое влияние. Ближе к земле сила ветра снижается, а скорость становится медленнее, поскольку мешают элементы ландшафта. Поэтому ветряное колесо должно устанавливаться, как можно выше.
Существуют 3 основных разновидности ветряных электростанций:

• Пропеллерные;
• Барабанные;
• Карусельные.

В пропеллерных установках вал находится в горизонтальном положении относительно ветра. У них имеется специальный стабилизатор, находящийся на оборотной стороне ветрового колеса. Он служит для перемещения конструкции по ходу ветра. Такой вариант является наиболее экономичным из всех ветряных электростанций. Скорость вращения в этих установках зависит от числа лопастей. В большинстве случаев из 3. КПД пропеллерных электростанций составляет 48%.

В случае барабанных и карусельных ветряных электростанций вал с лопастями находится в вертикальной плоскости. Этот тип установок используют в тех случаях, когда неважно направление ветра. Вращающий момент у таких аппаратов больше, чем у пропеллерных установок. Но КПД ниже (10─15%). С одной стороны всё выглядит неплохо, но с другой, работа ветрогенераторов сильно зависит от внешних факторов, на которые мы не можем повлиять.

Основной проблемой является непостоянство ветра. Поэтому в своей работе ветряные электростанции обязательно должна учитывать этот фактор. Поэтому кроме самого ветрогенератора в их составе есть аккумуляторы для накопления энергии, инвертор для управления их зарядом, а также инвертор для преобразования напряжения. То есть, практически все те же вспомогательные компоненты, что и в гелиосистемах.

Ветрогенератор
Проблема при эксплуатации ветряных электростанций также заключается в том, что слишком сильный ветер может вывести установку из строя. Но, несмотря на это, ветряные установки выгодно использовать для получения электроэнергии в некоторых регионах нашей планеты. При этом идеальным вариантом является тот, когда ветрогенератор функционирует в связке с бытовой электросетью или топливным генератором. Тогда электричество будет постоянно, даже когда на улице штиль. Немало случаев, когда ветряки используют вместе с солнечными батареями.

Ветроэнергетические парки

Под ветроэнергетическим парком понимается совокупность ВЭУ, размещаемых и производящих электроэнергию на одной локализованной территории, которые имеют наряду с индивидуальной, общую систему управления и контроля.

Согласно существующим международным нормам и ТКП РБ устанавливаются следующие требования к размещению ветропарков:

• необходимое удаление ветропарка от обитаемых районов (минимальное удаление от одиночных жилых домов на расстоянии не менее 300 м, селений – 800 м);
• уровень шума, распространяемого ВЭУ в ночное время должен находиться в интервале 35–40 децибел;
• расстояние между установками по фронту (по главному направлению ветра) должно быть не менее 3–5 диаметров роторов ВЭУ (рис. 36);
• по глубине главного направления между ВЭУ расстояние должно составлять не менее 8–10 диаметров роторов ВЭУ, по другим направлениям – расстояние должно быть не менее 5 диаметров роторов ВЭУ;
• удаление ВЭУ ветропарка от близлежащего лесного массива должно составлять не менее 15 величин высот деревьев лесного массива (рис. 37).

Рис. 36. Размещение ВЭУ ветропарка по главному направлению ветра

Рис. 37. Размещение ВЭУ ветропарка вблизи лесных массивов

Одним из требований размещения ветропарков является отсутствие в выбранном районе предполагаемого строительства водоемов, таких как рек, озер, болот, т. к. их наличие приведет к различным техническим проблемам, в частности:

• невозможности использования большегрузного крана для монтажа ВЭУ;
• трудностям при прокладке кабельных трасс для соединения электрической части ВЭУ;
• усложнению конструкции фундамента ВЭУ, вызванному возможным высоким уровнем грунтовых вод;
• необходимости насыпке (намывке) грунта и поднятию уровня земли строительного участка.

Для определения наилучшего места для будущего расположения ветропарка необходимо:

• знать наилучшие ветровые условия окрестной местности;
• иметь карту, по которой можно будет правильно спланировать конкретное место для строительства ветропарка (рис. 38);

Основными факторами, которые влияют на принятие решения о размещении ветропарка, являются:

• наличие близлежащих хороших подъездных путей (морские порты, ж/д станции и ж/д пути, автомобильные дороги и т. д.) или возможность строительства специальных временных дорог для транспортировки крупногабаритных конструкций (рис. 39);
• близость места размещения ВЭУ к высоковольтным линиям электропередачи (возможные места подключения ветропарка к высоковольтной сети напряжением 110 кВ), возможности прокладки высоковольтного электрокабеля.

Рис. 38. План размещения ВЭУ типа «NORDEX N-80/2500»

Рис. 39. Транспортирование конструктивных элементов ВЭУ

Разрешение на размещение ветропарка выдается районной администрацией после согласования с экологическими, санитарно-эпидемиологическими, пожарными службами, лесничеством и другими организациями, в том числе Министерством обороны, так как ВЭУ влияют на радиосвязь и работу радиолокационных станций.

Энергия ветра и возможности ее использования

Лекция 5

Основной причиной возникновения ветра

является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неодно-родна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вы-зывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом.

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии по-стоянные ветры приходят с северо-востока, в южном – с юго-востока, как показано на схеме рисунок 1.

Рисунок.1- Схема общей циркуляции земной атмосферы

По территориальному принципу можно выделить глобальные и местные ветры.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6…8 м/с. Эти ветры вблизи боль-ших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями темпе-ратуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, про-тивоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меня-ется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

Местные ветры.

Особые местные условия рельефа земной по-верхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возника-ют береговые морские ветры, которые называются бризами.

Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах дости-гает от 200 до 300 м.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного раз-мера, чем бризы, называется муссонами.

В характеристике ветра входят числовая величина скоростии направление, откуда дует ветер

Скорость ветра выражается в м/с, км/ч, узлах и условных единицах (баллах). Для обозначения направления указывают румб – направление относительно сторон света, либо угол, который образует горизонтальный вектор скорости с меридианом. Север принимается за 360° или 0°, восток за 90°, юг – за 180°, запад за 270°. В Метеорологии принято разделять окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб соответствует 22,5° (рисунок 2). Главными называют направления на север (С), юг (Ю), запад (З), восток (В). Названия 12 других Румбов являются комбинациями названий главных румбов, например, северо-восток (СВ); северо-северо-восток (ССВ), юго-юго-запад (ЮЮЗ).

Рисунок 2 — 1 – 16 румбов

В табл. 1 представлены классификации силы ветра по шка-ле Бофорта и основные характеристики ВЭУ различных классов

Таблица 1 — Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы

Окончание табл. 1

Ветер со скоростью порядка 5 – 8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным; выше 20 – 25 м/с – штормовым, а выше 30 – 35 м/с – ураганом. При порывах и сильных шквалах скорость ветра у поверхности земли может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 м/с и более.

Сильные колебания режима ветра, обусловленные турбулентностью, отмечается особо как порывистость или шквальность.

Порывистость ветра – наличие в воздушном потоке значительных колебаний по скорости и направлению с временными интервалами в несколько десятков секунд. Она ярко выражена в холодных воздушных массах с неустойчивым распределением температуры в атмосфере по высоте. Она увеличивается также при прохождении фронтов атмосферы, особенно холодных.

Шквальность – резкое усиление и ослабление ветра в течение короткого времени, сопровождающегося также изменениями его направления, продолжительностью несколько минут или десятков минут

Перспективыиспользованияэнергииветра

Использование энергии воздушных потоков

— древнейшая мечта человечества – то обретает реальность в виде паруса и ветряных мельниц для получения механической энергии, то замирает при изобретении тепловых и гидравлических двигателей и централизованной выработки электроэнергии на мощных электростанциях, затем возникает вновь, когда тепловая энергетика стала угрожать всему живому.

Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий.

Для выработки электроэнергии ветер используется с 10 – 20 годов ХХ века. С 70 – х годов прошлого столетия ветроэнергетика начала расти, к ХХI столетию приобрела заметное развитие и продолжает интенсивно развиваться.

Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:

— неисчерпаемый ресурс энергии, не зависящий от цен на топливо;

— отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов;

— развитый мировой рынок ветроэнергетических установок;

— конкурентная стоимость электроэнергии, не зависящая о стоимости топлива;

— короткие сроки строительства ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке и местным климатическим условиям;

— возможность децентрализованного обеспечения электроэнергией потребителей отдаленных районов.

Высокие темпы развития ветроэнергетики характерны для Герма-нии 1990-х годов. Особого внимания заслуживает опыт , которая освоила гамму ВЭУ мощностью 30, 130, 600, 1500 кВт в одном агрегате, выполненных с трехлопастными стеклопла-стиковыми ветроколесами, имеющими диаметр от 12 до 66 м.

В настоящее время промышленным производством ВЭУ в мире занимается более 300 фирм. Наиболее развитую промышленность име-ют Дания, США, Германия.

Сейчас в США вновь планируется крупномасштабное строительство ВЭС, в том числе в штате Техас (500 МВт), Калифорнии (439 МВт), на стыке территорий штатов Орион и Вашингтон (300 МВт) и в штате Невада (260 МВт).

Установленная мощность ветроэнергетики в мире в 2009г достигла 159’213 МВт, на конец 2009 года мировая ветроэнергетика вырабатывала 340 ТВтч электроэнергии, что соответствует 2 % от глобального электропотребления.

В некоторых странах и регионах мира ветер стал одним из наибольших источников энергии, в частности доля ветроэнергетики в электроснабжении составляет: в Дании — 20%; в Португалии- 15%; в Испании -14%; в Германии — 9%.

Ветроэнергетика выступает как источник энергии, помогающий странам решать вопросы энергетической безопасности и экологии.

В Казахстане разработана Национальная Программа развития ветроэнергетики,основанием для разработки которойявляются:

— Постановление Правительства № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики».

— Проектный Документ совместного проекта Правительства Казахстана и Программы развития ООН «Казахстан — инициатива развития рынка ветроэнергетики»,

— необходимость выполнения международных обязательств Республики Казахстан по Рамочной Конвенции ООН по изменению климата Законов РК «О Энергосбережении», «Об электроэнергетике», закона РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии», Государственной Программы развития электроэнергетики до 2030г, Программы развития единой электроэнергетической системы РК на период до 2010 и на перспективу до 2015г, Стратегии индустриально- инновационного развития Казахстана до 2015г.

Основной целью Национальной Программы является – использование значительного ветрового потенциала Казахстана в производстве электроэнергии для обеспечения устойчивого социального и экономического развития страны на основе снижения энергоемкости экономики, сохранения окружающей среды и не возобновляемых запасов органического топлива.

Казахстан исключительно богат ветровыми ресурсами. Порядка 10% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 6м/с и выше, что предопределяет хорошие перспективы для развития ветроэнергетики.

Стоимость электроэнергии от ВЭС в таких местах может составлять порядка 4-6 ц/кВт.ч с учетом инвестиционных затрат. ВЭС не потребляют органического топлива и, таким образом, не выбрасывают в атмосферу продукты его и не имеют твердых отходов.

Ветровой потенциал энергии Казахстана составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны.

Первоочередными для строительства ВЭС могут рассматриваться площадки в Джунгарских воротах и Шелекском Коридоре, расположенные в энергодефицитной Алматинской области.

Использование ветроустановок для водоснабжения, мелиорации и других целей

В сельском хозяйстве для подъема воды из любых водоисточников (скважины, колодца, открытого водоема) без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосных установок, которые принадлежат к числу современных устройств данного класса и приблизительно идентичны по ряду основных параметров (рис. 40).

Рис. 40. Общий вид ветронасосной установки

Ветронасосные установки бесшумны в работе, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме, позволяют подавать воду ритмичными порциями, и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. При использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой.

В ходе исследований установлено, что для целей водоснабжения, мелиорации оптимальная мощность источников энергии составляет 4–10 кВт. Для этих целей во многих странах, в том числе в Беларуси разработан ряд установок. Именно под этот параметр и была разработана ветроэлектрическая установка АВЭУ6-4М российского НПО «Ветроэн» (РФ) (рис. 41). По аналогичному назначению может использоваться и ВЭУ 6,3 (6,3 кВт) производства (Республика Беларусь) (рис. 42).

Рис. 41. Схема использования ВЭУ АВЭУ4-4М

Рис. 42. Общий вид ВЭУ-6,3

Эпоха возрождения

Да не та, о которой вы подумали. Та была в 14-15 веках, когда в Европе появился интерес к античной культуре, произошло, как бы, её возрождение. Здесь речь идёт об эпохе возрождения, начиная с 2000 года по настоящее время, в отношении использования ветровой энергии.
С новой силой на арену вышло внимание альтернативным источникам электропитания. 12 развитых стран приняли программы получения энергии ветровыми установками. Агрегаты небольшой мощности выпускают более сотни фирм.

То затухающий, то снова вспыхивающий костёр надежд на экологически чистую энергию, разгорается во многих цивилизованных странах перед угрозой истощения природных ресурсов.

В России условия применения ветроэнергетических установок благоприятны от Калининградской области до берегов седого Енисея и дальше, дальше на восток до порта Находка, Камчатки, острова Сахалин. Благодатны условия применения ветряков на северных берегах. Там ветры господствуют круглый год с приличной скоростью. Однако, источник ветровой энергии используется незаслуженно слабо.

Сейчас наступила поистине забытая эпоха возрождения использования ветряных установок. Есть ли выход из тупика, когда весь мир окажется перед фактом исчезновения полезных ископаемых? Оказывается, есть!