Российский Университет Дружбы Народов
Экологический факультет
Курсовая работа по энергетической экологии
на тему
Ветровая энергетика: состояние проблемы
Руководитель:
Применко В.Н.
Выполнила
студентка гр.
ОСМ-202
Кукольщикова С.Б.
Москва
2000
Содержание:
Энергия ветра 3
Ветроэнергетика за рубежом 5
Ветроэнергетика в России 9
Фундаментальные знания в области ветроэнергетики 10
Минусы ветроэнергетики 10
ВЭС с точки зрения экологии. 12
Литература 14
Энергия ветра
Энергия ветра — это преобразованная энергия солнечного излучения, и
пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тоже
возобновляемый источник энергии.
Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно
вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикян и живших
одновременно с ними других народов, и ветряные мельницы. В принципе,
преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно —
для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры
дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом их
существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполне
п9нятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его
вырабатывать электрический ток.
Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт была
сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров А.Г.Уфимцева и
В.П.Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС
мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире.
Она успешно проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена. В
настоящее время в СССР выпускаются серийные ветроагрегаты мощностью 4 и 30
кВт и готовятся к выпуску более мощные установки 100 и даже 1000 кВт.
Делаются первые шаги по пути перехода от единичных автономных ВЭС к
системам связанных в единую сеть многих ветроагрегатов большой мощности.
Первая такая система должна быть сооружена около поселка Дубки в Дагестане.
Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во
многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-
200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в
строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт (табл. 1).
Таблица 1. Наиболее крупные ветроэнергетические установки
|Страна |Название |Диаметр |Мощность, |
| |установки |рабочего |МВт |
| | |колеса,м | |
|США |WTS-4 |78 |4 |
|Канада |Eole |64 |4 |
|ФРГ |Growian |100 |3 |
|Великобрита|LSI |60 |3 |
|ния | | | |
|Швеция |WTS-3 |78 |3 |
|Дания |Elsam |60 |2 |
Одна из наиболее известных установок этого класса "Гровиан" была
создана в Германии, ее номинальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое
развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена
первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой
стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4
МВт (табл.2.) . Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн.
ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.
Таблица 2. Данные по БЭС в разных странах
|Страна |Установленная |Производство |Доля от |
| |мощность, МВт |электроэнергии|установленных |
| | |, ГВт/ч |мощностей страны, |
| | | |% |
|США |1300 |1700 |0,18 |
|Мексика |265 |— |1,0 |
|Дания |140 |— |1,7 |
|ЮАР |50 |— |0,2 |
|Нидерланды |20 |10 |0,11 |
|СССР |3 |5 |0,001 |
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня
коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут
конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных
устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем
большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом,
устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с
вертикальным валом.
Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через
площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости
ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах,
где среднегодовые скорости ветра достаточно велики.
Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем
случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59
(критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь
сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать
теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже
и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает,
например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10
м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.
Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня
получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100
до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня
около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.
Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной
мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ
мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982
гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт.
Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в
Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот
часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью
соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали
первая 20, а вторая 10 тыс.ч.
В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с
вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт
проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено
около 25 ВЭУ мегаваттного класса.
Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне
11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на
большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством
скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность.
Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-
7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается
номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для
установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.
Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для
энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в
районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.
Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная
мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5
млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 °/о потребляемой страной
энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах,
Великобритании и Германии.
По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их
выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии
снижаются. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии производимой ВЭУ,
составляла примерно 30 американских центов за кВт./ч, то сегодня она
составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись
работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт,
станет ясно, что планируемое Департаментом Энергетики США снижение
стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально
[57, 90,94].
В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными
установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях,
удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже
сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе.
Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо
устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать
ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость
установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока
невелико.
Ветроэнергетика за рубежом
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня
коммерческой зрелости и в местах с среднегодовыми скоростями ветра более 5
м/сек успешно конкурируют с традиционными источниками электроснабжения.
Преобразование энергии ветра в механическую , электрическую или
тепловую осуществляется в ветроустановках с горизонтальным или вертикальным
расположением вала ветротурбины. Наибольшее распространение получили
ветроэнергетические установки с горизонтальной осью ротора , работающие по
принципу ветряной мельницы. Турбины с горизонтальной осью и высоким
коэффициентом быстроходности обладают наибольшим значением коэффициента
использования энергии ветра ( 0,46-0,48). Ветротурбины с вертикальным
расположением оси менее эффективны (0,45) , но обладают тем преимуществом,
что не требуют настройки на направление ветра. В таблице 3 приведены данные
о доле на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ.
Табл. 3 Доля на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ
|Расположение оси ротора |Доля на рынке, %|
|Вертикальноосевые установки |9 |
|Горизонтальноосевые установки |91 |
|из них: с наветреным расположением ротора за|77 |
|башней |14 |
|с подветренным расположением ротора | |
Наибольшее распространение из сетевых установок сегодня получили ВЭУ с
единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500
кВт составляет сегодня около 1200 $/кВт и имеет тенденцию к снижению. В
таблице 4 приведена структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ.
Табл. 4 Структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ
|Класс мощности, кВт |Доля, % |
|10-19 |11 |
|20-49 |19 |
|50-149 |34 |
|150-500 |26 |
|401-1499 |5 |
|1500-5000 |5 |
ВЭУ мегаваттного класса построены в ряде стран и на сегодняшний день
находятся на стадии экспериментальных исследований или опытной
эксплуатации.
Во многих развитых странах существуют Государственные программы
развития возобновляемых источников энергии, в том числе и ветроэнергетики.
Благодаря этим программам решаются научно-технические, энергетические,
экологические, социальные и образовательные задачи. Генераторами проектов
возобновляемых источников энергии в Европе являются исследовательские
центры ( Riso, SERI( в настоящее время NREL), Sandia,ECN, TNO, NLR, FFA,
D(FV)LR, CIEMAT и др.), университеты и заинтересованные компании.
В 1994 году , в Мадриде, на конференции “Генеральный план развития
возобновляемых источников энергии в Европе” странами Европейского Союза
была принята декларация. В “Мадридской декларации” были сформулированы цели
по достижению 15% уровня использования возобновляемых источников энергии в
общем потреблении энергии в странах Европейского Союза до 2010 г.[ 184 ]. В
1994 г. в странах Европейского Союза установленная мощность солнечных
батарей, мини гидроэлектростанций и ветроэнергетичских установок составила
5.3 Вт, к 2010 году предполагается смонтировать оборудование с
установленной мощностью 55 Вт.
Поставленные цели достигаются решением задач в области политики,
льготного налогового законодательства, государственной финансовой поддержки
через научно-технические программы , льготного кредитования, создания
информационной сети, системы образования, стажировок, продвижения высоких
технологий , созданием рабочих мест на производствах и подготовки
общественного мнения.
Благоприятные условия для развития энергетики позволят к 2020 г.
увеличить потребление электрической энергии на 30% в том числе за счет
возобновляемых источников энергии на 15%.
В таблице 3. приведены соотношения для выработки электроэнергии
различными возобновляемыми источниками энергии в странах Европы по
оптимистическим и пессимистическим прогнозам до 2020 года. Прогноз
составлен на основании анализа темпов прироста установленной мощности
различных видов возобновляемых источников энергии в странах Европейского
Союза. Доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке
15%, по оптимистической оценке 16%. Табл. 5
Таблица 5. Прогноз развития возобновляемой энергетики.
|Возобновляемые |В 2020 г. | | |В 2020 | |
|источники энергии |“Минимум” | | |г. | |
| | | | |“Максиму| |
| | | | |м” при | |
| | | | |благопри| |
| | | | |ятной | |
| | | | |политике| |
| | | | |поддержк| |
| | | | |и | |
| |Mtoe |% |M| |% |
| | | |t| | |
| | | |o| | |
| | | |e| | |
|“Modern” биомасса |243 |45 |5| |42 |
| | | |6| | |
| | | |1| | |
|Солнечная |109 |21 |3| |26 |
| | | |5| | |
| | | |5| | |
|Ветровая |85 |15 |2| |16 |
| | | |1| | |
| | | |5| | |
|Геотермальная
|
