Проблеми і перспективи розвитку вітрових електростанцій - Технічні науки - Скачать бесплатно

Зміст:

Енергія вітру

Вітроенергетика в світі

Фундаментальні знання в області вітроенергетики

Мінуси вітроенергетики

Вітрові електростанції з погляду екології.

Література

Енергія вітру

Енергія вітру — це видозмінена енергія сонячного випромінювання, і поки світить Сонце, будуть дути і вітри. Таким чином, вітер — це теж поновлюване джерело енергії.

Люди використовують енергію вітру з незапам'ятних часів — досить згадати вітрильний флот, що був вже в древніх фіникян і інших народів, що жили одночасно з ними, і вітряні млини. У принципі, перетворити енергію вітру в електричний струм, здавалося б, неважко — для цього досить замінити мірошницький жернов електрогенератором. Вітри дують скрізь, можуть дути і влітку, і узимку, і вдень, і вночі — у цьому їхні істотні переваги перед самим сонячним випромінюванням. Тому цілком зрозумілим є численні спроби "запрягти вітер" і змусити його виробляти електричний струм.

Перша в Радянському Союзі вітрова електростанція потужністю 8 квт була споруджена в 1929-1930 р. під Курськом по проекту інженерів А.Г.Уфімцева і В.П.Ветчинкіна. Через рік у Криму була побудована більш велика ВЕС потужністю 100 квт, що була на той час самою великою ВЕС у світі. Вона успішно проробила до 1942 р., але у час війни була зруйнована. У даний час в країнах СНД випуска.ьбся серійні вітроагрегати потужністю 4 і 30 квт і готуються до випуску більш могутні установки 100 і навіть 1000 квт. Робляться перші кроки по шляху переходу від одиничних автономних ВЕС до систем зв'язаних у єдину мережу багатьох вітроагрегатів великої потужності. Перша така система повинна бути споруджена біля селища Дубки в Дагестані.

Значні успіхи в створенні ВЕС були досягнуті за кордоном. У багатьох країнах Західної Європи побудовано досить багато установок по 100-200 квт. У Франції, Данії й у деяких інших країнах були введені в лад ВЕС з номінальними потужностями понад 1 МВт (табл. 1).

Таблиця 1. Найбільш великі вітроенергетичні установки

Одна з найбільш відомих установок цього класу "Гровіан" була створена в Німеччині, її номінальна потужність — 3 Мвт. Але самий широкий розвиток вітроенергетика одержала в США. Ще в 1941 р. там була побудована перша ВЕС потужністю 1250 квт, а зараз загальна потужність усіх ВЕС у цій країні досягає 1300 Мвт, причому серед них є гіганти з потужністю до 4 Мвт (табл.2.). Всього у світі в даний час нараховується близько 3 млн. вітроустановок, з них приблизно 3,5 тис. у країнах СНД.

Таблиця 2. Дані по ВЕС у різних країнах

Вітроенергетичні установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня комерційної зрілості й у місцях зі сприятливими швидкостями вітру можуть конкурувати з традиційними джерелами електропостачання. З усіляких пристроїв, що перетворять енергію вітру в механічну роботу, у переважній більшості випадків використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, установлюваним по напрямку вітру. Набагато рідше застосовуються пристрої з вертикальним валом.

Вітрове колесо, розміщене у вільному потоці повітря, може в кращому випадку теоретично перетворити в потужність на його валу 16/27=0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходити через площу перетину, яке захоплюється вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним КПД ідеального вітрового колеса. У дійсності КПД нижче і досягає для кращих вітрових коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопасті 10 м при швидкості вітру 10 м/с може мати потужність на валу в кращому випадку 85 квт.

Найбільше поширення з установок, що приєднуються до мережі, сьогодні одержали вітроенергетичні установки (ВЕУ) з одиничною потужністю від 100 до 500 квт. Питома вартість ВЕУ потужністю 500 квт складає сьогодні близько 1200 діл/квт і має тенденцію до зниження.

Поряд з цим створюються ВЕУ і з істотно більшою одиничною потужністю. У 1978 р. у США була створена перша експериментальна ВЕУ мегаваттного класу з розрахунковою потужністю 2 Мвт. Слідом за цим у 1979-1982 р. у США минулому споруджені і випробувані 5 ВЕУ з одиничною потужністю 2,5 Мвт. Найбільша на тієї годину ВЕУ (Гровіан) потужністю 3 Мвт була споруджена в Німеччині в 1984 р., але, на жаль, вона проробила лише декілька сотень годин. Побудовані трохи пізніше у Швеції ВЕУ WTS-3 і WTS-4 потужністю відповідно 5 і 4 Мвт були встановлені у Швеції і США і проробили перша 20, а друга 10 тис.ч.

У Канаді ведуться роботи зі створення великих вітрових установок з вертикальним валом (ротор Дарье). Одна така установка потужністю 4 Мвт проходить випробування з 1987 р. Всього за 1993-2001 р. у світі було споруджено близько 25 ВЕУ мегаватного класу.

Розрахункова швидкість вітру для великих ВЕУ звичайно приймається на рівні 11-15 м/с. Взагалі, як правило, чим більша потужність агрегату, тім на велику швидкість вітру він розраховується. Однак у зв'язку з мінливістю швидкості вітру велику частину часу ВЕУ виробляє меншу потужність. Вважається, що якщо середньорічна швидкість вітру в даному місці не менш 5-7 м/с, а еквівалентне число годин у році, при якому виробляється номінальна потужність не менше 2000, то таке місце сприятливе для установки великої ВЕУ і навіть вітрової ферми.

Автономні установки кіловатного класу, призначені для енергопостачання порівняно дрібних споживачів, можуть застосовуватися й у районах з меншими середньорічними швидкостями вітру.

Сьогодні в деяких промислово розвитих країнах установлена потужність ВЕУ досягає помітних значень. Так, у США встановлено більш 1,5 млн. квт ВЕУ, у Данії ВЕУ роблять близько 3% споживаної країною енергії; найбілльша встановлена потужність ВЕУ у Швеції, Нідерландах, Великобританії і Німеччині.

У міру удосконалювання устаткування ВЕУ і збільшення обсягу їхнього випуску вартість ВЕУ, а значить і вартість виробленої ними енергії знижуються. Якщо в 1981 р. вартість електроенергії виробленої ВЕУ, складала приблизно 30 американських центів за квт./год, то сьогодні вона складає 6-8 центів. З обліком того, що тільки в 2001 р. у США велися роботи з чотирьох великих вітрових ферм із загальною потужністю близько 200 Мвт, стає ясно, що плановане Департаментом Енергетики США зниження вартості вітрової електроенергії до 2,5 центів/ (квт. ч) цілком реально.

У країнах, що розвиваються, інтерес до ВЕУ зв'язаний в основному з автономними установками малої потужності, що можуть використовуватися в селах, вилучених від систем централізованого електропостачання. Такі установки вже сьогодні конкурентноздатні з дизелями, що працюють на привозному паливі. Однак у деяких випадках мінливість швидкості вітру змушує або встановлювати паралельно з ВЕУ акумуляторну батарею, або резервувати її установкою на органічному паливі. Природно, це підвищує вартість установки і її експлуатації, тому поширення таких установок поки що невелике.

Вітроенергетика у світі

Вітроенергетичні установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня комерційної зрілості й у місцях із середньорічними швидкостями вітру більш 5 м/сек успішно конкурують із традиційними джерелами електропостачання.

Перетворення енергії вітру в механічну , електричну чи теплову здійснюється у вітроустановках з горизонтальним чи вертикальним розташуванням вала вітротурбіни. Найбільше поширення одержали вітроенергетичні установки з горизонтальною віссю ротора, що працюють за принципом вітряного млина. Турбіни з горизонтальною віссю і високим коефіцієнтом бистроходности мають найбільше значення коефіцієнта використання енергії вітру ( 0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45) , але володіють тією перевагою, що не вимагають настроювання на напрямок вітру. Найбільше поширення з мережних установок сьогодні одержали ВЕУ з одиничною потужністю від 100 до 500 квт. Питома вартість ВЕУ потужністю 500 квт складає сьогодні близько 1200 $/квт і має тенденцію до зниження.

ВЕУ мегаваттного класу побудовані в ряді країн і на сьогоднішній день перебувають у стадії експериментальних чи досліджень досвідченої експлуатації.

В багатьох розвинутих країнах існують Державні програми розвитку поновлюваних джерел енергії, у тому числі і вітроенергетики. Завдяки цим програмам зважуються науково-технічні, енергетичні, екологічні, соціальні й освітні задачі. Генераторами проектів поновлюваних джерел енергії в Європі є дослідницькі центри (Riso, SERI (у даний час NREL), Sandia,ECN, TNO, NLR, FFA, D(FV)LR, CIEMAT і ін.), університети і зацікавлені компанії.

У 1994 році , у Мадриді, на конференції “Генеральний план розвитку поновлюваних джерел енергії в Європі” країнами Європейського Союзу була прийнята декларація. У “Мадридській декларації” були сформульовані мети по досягненню 15% рівня використання поновлюваних джерел енергії в загальному споживанні енергії в країнах Європейського Союзу до 2010 р.[ 184 ]. У 1994 р. у країнах Європейського Союзу встановлена потужність сонячних батарей, мини гідроелектростанцій і вітроенергетичских установок склала 5.3 Ут, до 2010 долі передбачається змонтувати устаткування з установленою потужністю 55 Ут.

Поставлені цілі досягаються рішенням задач в області політики, пільгового податкового законодавства, державної фінансової підтримки через науково-технічні програми , пільгового кредитування, створення інформаційної мережі, системи утворення, стажувань, просування високих технологій , створенням робочих місць на виробництвах і підготовки суспільної думки.

Сприятливі умови для розвитку енергетики дозволяти до 2020 р. збільшити споживання електричної енергії на 30% у тому числі за рахунок поновлюваних джерел енергії на 15%.

У таблиці 3. приведено співвідношення для вироблення електроенергії різними поновлюваними джерелами енергії в країнах Європи по оптимістичних і песимістичних прогнозах до 2020 долі. Прогноз складений на підставі аналізу темпів приросту встановленої потужності різних видів поновлюваних джерел енергії в країнах Європейського Союзу. Частка вітрової енергії буде складати по песимістичній оцінці 15%, по оптимістичній оцінці 16%.

Щорічно в Європі встановлена потужність вітроагрегатів складає 200 MW При сприятливих умовах приріст установленої потужності може скласти 800 MW. Найбільш ефективними по нарощуванню встановленої потужності вітростанцій є програми країн Європи , Китаєві, Індії , США, Канади.

Щорічний оборот за рахунок продажів віброперетворювачів у країнах Європи складає 400 MECU. Більш 10 найбільших банків Європи інвестують вітроенергетичну індустрію. Більш 20 великих Європейських приватних інвесторів фінансують вітроенергетику. Вартість вітрової енергії залежить в основному від наступних 6 параметрів:

інвестицій у виробництво вітроагрегата ( виражається як відношення $/кв. м - ціна одного кв. метра захоплюваної площі ротора вітротурбіни);

коефіцієта корисної дії системи;

середньої швидкості вітру ;

приступності;

технічного ресурсу.

За останні три десятиліття технологія використання енергетичних ресурсів вітри була зосереджена на створенні мережних вітроагрегатів WECS. У цьому напрямку досягнуті значні успіхи. Багато тисяч сучасних установок WECS виявилися цілком конкурентноздатними стосовно звичайних джерел енергії. Існуючі електричні мережі здійснюють транспортування електроенергії вироблювані вітропарками в різні регіони.

В останні роки інтенсивно стали розвиватися технології використання енергії вітру в ізольованих мережах. В ізольованих мережах електропередач неминучі витрати на одиницю зробленої енергії в багато разів вище , ніж у централізованих мережах електропередач. Установки, що роблять електроенергію, звичайно засновані на невеликих двигунах внутрішнього згоряння , що використовують дорозі паливо , коли витрати на транспортування тільки палива часто піднімають вартість одиниці зробленої енергії в десятки разів від вартості енергії в кращих централізованих мережах електропередач. У невеликих мережах електропередач установки, що подають електроенергію, є набагато більш гнучкими: сучасний комплект генераторів на дизельному паливі можна запустити , синхронізувати і підключити до ізольованої мережі менш чим за двох секунд. Перетворення енергії вітру є альтернативним поновлюваним джерелом енергії , щоб замінити дорозі паливо. Нові дослідження технічної здійснюваності проектів використання вітроустановок разом з дизельгенераторами в ізольованих мережах показують ,що світовий потенціал для незалежних систем WECS навіть вище, чому систем WECS, підключених у звичайні мережі електропередач. У таблиці 6 приведені параметри діючих вітро-дизельних систем. Зазначені системи були побудовані в 1985-1990 р.м. Їхня експлуатація виявила необхідність удосконалювання систем, створення автоматизованого керування.

Фундаментальні знання в області вітроенергетики

На прикладі удосконалювання моделі вітру можна показати що поглиблення знань у цій області дозволило наблизитися до адекватної моделі перетворення енергії На мал. показані: використання спрощеної моделі вітру з осредненними параметрами за годиною і у просторі до 70 років, облік зміни швидкості вітру по висоті в 75 роки, використання турбулентної моделі вітру в 85 роки.

Моделі вітру. а) Осереднення за годиною і простором, б) Зміна швидкості вітру по висоті, в) Турбулентна модель вітру

Мінуси вітроенергетики

Вітер дує майже завжди нерівномірно. Виходить, і, генератор буде працювати нерівномірно, віддаючи ті велику, ті меншу потужність, струм буде вироблятися перемінною частотою, а ті і цілком припиниться, і притім, можливо, саме тоді, коли потреба в ньому буде найбільшою. підсумку будь-який вітроагрегат працює на максимальній потужності липнувши малу частину години, а в інший годину він або працює на зниженій потужності, або просто коштує.

Для вирівнювання віддачі струму застосовують акумулятори, алі це як уже відзначалося, і дорого, і мало ефективно.

Інтенсивності вітрів сильно залежати і від географії. ВЕС вигідно використовувати в таких місцях, де середньорічна швидкість вітру вище 3,5—4 м/с для невеликих станцій і вище 6 м/с для станцій великої потужності. У нашій країні зони з V S: 6 м/с розташовані, в основному на Крайній Півночі, уздовж берегів Льодовитого океану, де споживи в енергії.

Як випливає з приведених вище цифр, потужність однієї вітроустановки не перевищує у виняткових випадках 4 Мвт, а в серійних установках — 200-250 квт. Алі і при настільки малих потужностях, вітроагрегати — досить громіздкі спорудження. Навіть порівняно невеликий вітроагрегат "Сокіл" потужністю 4 квт складається з щогли висотою 10 м (із триповерховий будинок) і має діаметр трилопатевого ротори 12м (який прийняте називати "колесом", хоча це зовсім і не колесо). ВЕС на великі потужності і розміри мають відповідні. Так, установка на 100 квт має ротор діаметром 37 м з масою 907 кг, а ротор установки "Гровіан" має розмах лопат 100 м при висоті вежі теж 100 м, тобто вище 30-поверхового будинку! І при цьому така вежа винна бути досить масивної і міцний, щоб витримати і масу величезного ротора, і вібрації, що виникають при його роботі. Розвиває вся ця махина порівняно невелику потужність — всего 3-4 Мвт, а з урахуванням простоїв через штилі і роботу на зниженій потужності при слабкому вітрі, середня потужність виявляється і того нижче — порядку 1 Мвт (таке співвідношення між номінальною і середньою потужностями ВЕС підтверджує наступний факт: у Нідерландах на частку ВЕС приходитися 0,11 % усіх установлених потужностей, алі виробляють смороду тільки 0,02% електроенергії). Таким чином, для заміни тільки однієї АЕС потужністю 4 млн. квт треба було б спорудити біля чотирьох тисяч (!) таких монстрів з відповідним витратою сталі й інших матеріалів (табл. 8). Якби мі не захотіли зв'язуватися з такими унікальними гігантами і вирішили розвивати вітроенергетику на серійних вітроагрегатах потужністю 4 квт (середня потужність 1 квт), те їхній би треба було для такої заміни близько 4 млн. штук. При таких масштабах кількість, як говоритися, переходити в якість, і виникають проблеми зовсім іншого роду.

Здавалося б, раз вітер дує безкоштовно, виходить, і електроенергія від нього повинна бути дешевої. Але це далеко не так. Справа в тім, що будівництво великого числа вітроагрегатов вимагає значних капітальних витрат, що входять складовою частиною в ціну виробленої енергії. При порівнянні різних джерел, зручно зіставляти питомі капіталовкладення, тобто витрати на одержання 1 квт установленої потужності. Для АЕС ці витрати рівні приблизно 1000 руб/квт. У той же час, наша вітроустановка АВЕ-100/250, здатна при швидкості вітру б м/с розвивати потужність 100 квт, коштує 600 тис руб. (у цінах 1989 р.), тобто для неї капзатрати складають 6000 руб./квт. А якщо врахувати, що вітер не завжди дує з такою швидкістю, і що тому середня потужність виявляється в 3-4 рази менше максимальної, те реальні капзатрати складуть порядку 20 тис.руб./квт, що в 20 разів вище, ніж для АЕС.

ВЕС з погляду екології.

Зовсім ясно, що навіть до однієї працюючого вітряку близько підходити не бажано, і притім з будь-якої сторони, тому що при змінах напрямку вітру напрямок осі ротора теж змінюється. Для розміщення ж сотень, тисяч і тим більше мільйонів вітряків потрібні були б великі площі в сотні тисяч гектарів. Справа в тім, що вітроагрегати близько друг до друга ставити не можна, тому що вони можуть створювати взаємні перешкоди в роботі, "віднімаючи вітер" один від іншого. Мінімальна відстань між вітряками повинне бути не менш їхньої потроєної висоти. От, і вважайте самі, яку площу прийдеться відвести для ВЕС потужністю 4 млн.квт.

При цьому необхідно мати у виді, що вже нічого іншого на цій площі робити буде не можна. Працюючі вітродвигуни створюють значний шум, і що особливо погано — генерують нечутні вухом, але шкідливо діючі на людей ін фразвукові коливання з частотами нижче 16 Гц. Крім цього, вітряки розполохують птахів і звірів, порушуючи їхній природний спосіб життя, а при великому їхньому скупченні на одній площадці — можуть істотно спотворити природний рух повітряних потоків з непередбаченими наслідками. Не дивно, що в багатьох країнах, у тому числі в Ірландії, Англії й інших, жителі неодноразово виражали протести проти розміщення ВЕС поблизу населених пунктів і сільськогосподарських угідь, а в умовах густо населеної Європи це означає — скрізь. Тому була висунута пропозиція про розміщення систем вітряків у відкритому морі. Так, у Швеції розроблений проект, відповідно до якого передбачається в Балтійськом море недалеке від берега установити 300 вітряків. На їхніх вежах висотою 90 м будуть обертатися двухлопастні пропелери з розмахом лопат 80 м. Вартість будівництва тільки першої сотні таких гігантів буде потрібно більш 1 млрд. дол., а вся система, на будівництво якої піде мінімум 20 років, забезпечить виробництво всього 2% електроенергії від рівня споживання у Швеції в даний час. Але це — поки тільки проект. А тим часом у тій же Швеції почате будівництво однієї ВЕС потужністю 200 квт на відстані 250 м від берега, що буде передавати енергію на землю по підвідному кабелі. Аналогічні проекти були й у нас: пропонували установлювати вітряки і на акваторії Фінської затоки, і на Арабатськ стрільці в Криму. Крім складності і дорожнечі подібних проектів, їхня реалізація створила б серйозні перешкоди судноплавству, рибальству, а також зробило б усі ті ж шкідливі екологічні впливи, про які говорилося раніше. Тому і ці плани викликають руху протесту. Наприклад, шведські рибалки зажадали перегляду проекту споруджуваної в море ВЕС, тому що, на їхню думку, підводний кабель, та й сама станція будуть погано впливати на риб, зокрема — на вугрів, що мігрують у тих місцях уздовж берега.

З усього сказаних випливає один очевидний висновок. Вітрогенератори можуть бути корисними в районах Крайньої Півночі /наприклад — на крижинах у зимівників/ чи в деяких інших районах, куди утруднена подача енергії в інших формах, і де потреби в енергії відносно невеликі. Але робити на них ставку при розвитку великої енергетики зовсім нереально ні зараз, ні в найближчому майбутньому.

Література

Алексєєв Б.А. Міжнародна конференція по вітроенергетиці / Електричні станції. 1996. №2.

Безруких П.П. Економічні проблеми нетрадиційної енергетики / Енергія: Екон., техн., екол. 1995. №8.

Богуславский Е.И., Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Кузнєцов М.В. Умови ефективності і комплексного використання геотермальної сонячної і вітрової енергії // Міжнародний симпозіум “Паливно-енергетичні ресурси Росії й ін. країн СНД". Санкт-Петербург, 1995.

Дьяков А.Ф., Прокурорів Н.С., Перминов Е.М. Калмицька досвідчена вітрова електростанція / Електричні станції 1995. № 2.

Логинов В.Б. Новак Ю.И. Високоефективні вітроенергетические установки / Проблеми машинобудування й автоматизації. 1995. №1-8.

Селезньов И.С. Стан і перспективи робіт МКБ "Веселка" в області вітроенергетики / Конверсія в машинобудуванні. 1995. №5.

Соболь Я.Г. "Вітроенергетика" в умовах ринку (1992-1995 р.) / Енергія: Екон., техн. екол. 1995. №11.