Ветроэнергетика

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.

Таблица 4

Структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ

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

В 1990 г. новые возобновляемые источники энергии составили 164 Mtoe (1,9 %) от общей потребляемой энергии. В 1994 г. во всем мире установленная мощность ветростанций составляла 3200 MW , 1400 MW приходилось на Европу. В таблице 6 приведены данные по по странам.

Таблица 6.

Суммарная установленная мощность ветростанций

Ежегодно в Европе установленная мощность ветроагрегатов составляет 200 MW. При благоприятных условиях прирост установленной мощности может cоставить 800 MW. Наиболее эффективными по наращиванию установленной мощности ветростанций являются программы стран Европы , Китая, Индии , США, Канады.

Ежегодный оборот за счет продаж ветропреобразователей в странах Европы составляет 400 MECU. Более 10 крупнейших банков Европы инвестируют ветроэнергетическую индустрию. Более 20 крупных Европейских частных инвесторов финансируют ветроэнергетику. Стоимость ветровой энергии зависит в основном от следующих 6 параметров:

инвестиций в производство ветроагрегата (выражается как отношение $/кв. м - цена одного кв. метра ометаемой площади ротора ветротурбины);

коэффициета полезного действия системы;

средней скорости ветра;

доступности;

технического ресурса.

Таблица 7

Соотношение стоимость электроэнергии/скорость ветра

За последние три десятилетия технология использования энергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевых ветроагрегатов WECS. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Многие тысячи современных установок WECS оказались полностью конкурентоспособными по отношению к обычным источникам энергии. Существующие электрические сети осуществляют транспортировку электроэнергии вырабатываемые ветропарками в различные регионы.

В последние годы интенсивно стали развиваться технологии использования энергии ветра в изолированных сетях. В изолированных сетях электропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много раз выше, чем в централизованных сетях электропередач. Установки, производящие электроэнергию, обычно основаны на небольших двигателях внутреннего сгорания, использующих дорогостоящее топливо, когда расходы на транспортировку только топлива часто поднимают стоимость единицы произведенной энергии в десятки раз от стоимости энергии в лучших централизованных сетях электропередач. В небольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являются гораздо более гибкими: современный комплект генераторов на дизельном топливе можно запустить, синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чем за две секунды. Преобразование энергии ветра является альтернативным возобновляемым источником энергии, чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новые исследования технической осуществимости проектов использования ветроустановок совместно с дизельгенераторами в изолированных сетях показывают, что мировой потенциал для независимых систем WECS даже выше, чему систем WECS, подключенных в обычные сети электропередач. В таблице 6 приведены параметры действующих ветродизельных систем. Указанные системы были построены в 1985-1990 г.г. Их эксплуатация выявила необходимость совершенствования систем, создания автоматизированного управления.

Таблица 6

Параметры действующих ветро-дизельных систем

Ветроэнергетика в России

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полную глухоту к новациям и экологическим проблемам надолго затормозило развитие ветроэнергетики. Выпускаемые “Ветроэном” ветроустановки не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа “Экологически чистая энергетика”[193]. Для участия и получения финансирования были отобраны лучшие проекты ветроэнергетических установок различных классов по мощности. Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт , 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.

Начавшаяся перестройка, развал экономики и прекращение финансирования по программе не позволила довести указанные проекты до коммерческого уровня. Почти все проекты остались на уровне опытных и макетных образцов. Опытный образец ветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ “Радуга”, который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности. Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и успешно работает, вырабатывая 2300-2900 тыс. кВт ч электроэнергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ “Радуга” были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8кВт и 250 кВт. Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики “ Energobalance Sovena” совместно с Германской фирмой Husumer SchiffsWert (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Сегодня возможны следующие сценарии развития ветроэнергетики в России:

закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов;

трансферт западных технологий и организация производства в России;

кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагегатов в России;

организация производства собственных ветроагегатов, ноу-хау которых защищено международным законодательством.

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим налоговым законодательством, монополией производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства.

Фундаментальные знания в области ветроэнергетики

На примере совершенствования модели ветра можно показать что углубление знаний в этой области позволило приблизиться к адекватной модели преобразования энергии

Рис. 1. Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра

На рис. 1 показаны: использование упрощенной модели ветра с осредненными параметрами по времени и в пространстве до 70 годов, учет изменения скорости ветра по высоте в 75 годы, использование турбулентной модели ветра в 85 годы.

Минусы ветроэнергетики

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лип малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно.

Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5--4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с V S: 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны (табл. 7).

Таблица 7.

Возможности использования энергии ветра в СНГ

Как следует из приведенных выше цифр, мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках -- 200-250 кВт. Но и при столь малых мощностях, ветроагрегаты -- довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат "Сокол" мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12м (который принято называть "колесом", хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100 кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки "Гровиан" обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т.е. выше 30-этажного дома! И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает вся эта махина сравнительно небольшую мощность -- всего 3-4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре, средняя мощность оказывается и того ниже -- порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0,11 % всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02% электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью 4 млн. кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч (!) таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов (табл. 8). Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн. штук. При таких масштабах количество, как говорится, переходит в качество, и возникают проблемы совсем иного рода.

Таблица 8.

Параметры ВЭС для замены одной АЭС мощностью 4 млн. кВт

Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т.е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб. /кВт. В то же время, наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра б м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс. руб. (в ценах 1989 г.), т.е. для нее капзатраты составляют 6000 руб. / кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3-4 раза меньше максимальной, то реальные капзатраты составят порядка 20 тыс. руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.

ВЭС с точки зрения экологии

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить нежелательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот, и считайте сами, какую площадь придется отвести для ВЭС мощностью 4 млн. кВт.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо -- генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке -- могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густонаселенной Европы это означает -- везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд. долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2% электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это -- пока только проект. А тем временем в той же Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста. Например, шведские рыбаки потребовали пересмотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный кабель, да и сама станция будут плохо влиять на рыб, в частности -- на угрей, мигрирующих в тех местах вдоль берега.

Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенераторы могут быть полезными в районах Крайнего Севера / например -- на льдинах у зимовщиков/ или в некоторых других районах, куда затруднена подача энергии в других формах, и где потребности в энергии относительно невелики. Но делать на них ставку при развитии большой энергетики совершенно нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем.

Литература