Энергия ветра: анализ мирового опыта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергия ветра: анализ мирового опыта

Введение

Использование энергии возобновляемых источников (ВИЭ) - одно из приоритетных направлений развития мировой энергетики. Это обусловлено растущими ценами на ископаемое топливо, необходимостью обеспечения стабильности поставок энергии, обострением проблемы изменения климата.

Уровень развития современной науки и техники позволяет успешно использовать ВИЭ для энергоснабжения потребителей. В 138 стран определили в качестве цели развитие ВИЭ на национальном уровне.

В 2015 году мировая мощность ВИЭ (включая гидроэлектроэнергию) достигла 1 849 ГВт, 57.5 % из которых - мощность гидроэнергии. В прошлом году было добавлено еще почти 147 ГВт мощности, самый большой ежегодный прирост когда-либо в истории.

Самые перспективные возобновляемые источники энергии:

- гидроэнергия - технический потенциал 62 миллиарда кВтч в год;

- потенциал солнечной энергии оценен в 2.5 миллиардов кВтч в год;

- ветровая энергия - технический потенциал 929 миллиардов кВтч в год.

1. Лидирующие страны по выработке электрической энергии за счет ВЭС

Энергия ветра - это один из возобновляемых и чистых источников энергии. Это - один из способов борьбы с дефицитом энергии. Около 194 400 МВт энергии производится ветряными турбинами по всему миру. В основном энергию ветра используют европейские страны, где ее производят специальные ветрофермы. Каждая электростанция состоит из сотен турбин, распространенных на площади в сотни квадратных километров, чтобы производить достаточно энергии. Большинство из ветрогенераторов установлены в сельскохозяйственных районах.

Существует два вида ветроферм: "береговые" и "внебереговые", находящиеся в открытом море. В настоящее время большинство стран вкладывают свои средства в ветряные фермы дабы восполнить часть своих потребностей в электроэнергии. Давайте приглядимся к пяти крупнейшим игрокам в мире на рынке чистой электроэнергии.

1.1 Китай - крупнейший производитель

Китай производит максимальное количество ветровой энергии во всем мире. Ее объем равен 45 ГВт и вырабатывают его 80 ветряных ферм по всей стране. Их целью является достижение выработки 100 ГВт энергии к 2015 году, а ближе к 2030 году страна рассчитывает полностью перейти на экологическое энергоснабжение. Китай много раз пытался увеличить производство чистой энергии. Они увеличили производство турбин, чтобы установить больше ветрогенераторов. Одной из главных причин для Китая инвестировать в ветряные фермы стало географическое расположение и огромная потребность в большом количестве энергии и людской силе.

Учитывая, что береговая линия Китая - очень велика, она дает отличную возможность производить большее количество энергии. Китай также инвестирует в турбины небольшого размера, которые устанавливаются в высотных зданиях и опорах уличного освещения.

1.2 США - пионеры в производстве энергии из ветра

США занимают второе место в производстве ветряной энергии с объемом в 43 ГВт, вырабатываемых сотней ветряных ферм по всей стране. Поскольку США потребляют больше энергии чем какая-либо другая часть света, инвестирование в сектор зеленой энергетики - это обязательное условие для ее экономики. В настоящий момент США не вкладывают деньги в морские ветроэлектростанции но планируют это сделать в ближайшем будущем.

США считаются пионерами в области производства ветряной энергии. Компания GE Energy является крупнейшим производителем ветрогенераторов в США. Ферма Roscoe Wind в Техасе - это крупнейшая фабрика по производству энергии ветра в мире, насчитывающая 627 ветряков. Совокупная мощность этой фермы составляет 781 МВт. Каждая турбина на этой станции имеет мощность 1 МВт. Этот завод обеспечивает электроэнергией 260 000 домов в Техасе.

1.3 Германия - лидирующий производитель ветряных турбин

Германия занимает третье место в производстве экологически чистой энергии с объемом в 28 ГВт, что составляет примерно 9 % от всей выработки электроэнергии Германии. По всей стране насчитывается 21607 ветрогенераторов и их работа направлена на увеличение производства "морской энергии ветра". В основном, энергия ветра производится в центральной части страны. Enercon E-126 - это название крупнейшего ветрогенератора в мире, который произведен и установлен в Германии. Диаметр его лопастей составляет 126 метров, а количество энергии, производимое им - 7 МВт. Германия - лидирующий экспортер ветротурбин.

1.4 Испания - вторые в Европе

Ветровые электростанции удовлетворяют 16 % запросов в сфере электроснабжения и эта страна является четвертой в мире по объему производимого электричества из ветра. Общий объем производства составляет 21 ГВт и это третий по величине источник выработки энергии в Испании. Испания делает большие усилия для того, чтобы увеличить производство ветровой энергии и планирует со временем сделать его основным источником всего электроснабжения в стране.

Большинство ветроэлектростанций расположены в горных районах, так как на высоте сила ветра сильнее и, соответственно, вырабатывается больше энергии. Так называемых "оффшорных" ферм здесь пока не так и много. Испания - одна из лидеров по экспорту оборудования для ветровых электростанций.

1.5 Индия - главные исследователи

Индия - пятая в рейтинге страна по объему производимой энергии ветра, который составляет 14 ГВт, и это - 1,6 % всей энергии, вырабатываемой в этой многолюдной стране. Ветровая электростанция Муппандал (Muppandal wind farm) в штате Тамил Наду - крупнейшая на субконтиненте. Почти все ветромельницы являются частной собственностью различных компаний. энергия ветер ветрогенератор ветроэлектростанция

В Индии большинство ферм расположено на сельскохозяйственных землях и в горных районах, что вполне объяснимо. Однако, большая часть этой страны все же не подходит для производства ветряной энергии, тем значимее занимаемое ею пятое место в мире. Компания Сузлон (Suzlon) является ведущим производителем и установщиком ветротурбин в Индии.

Таблица 1 - Страны по выработке электрической энергии за счет ВЭС

Таблица 2 - Производители ВЭС

Таблица 3 - Самые крупные ВЭС

Vestas - один из крупнейших в мире производителей промышленных ветрогенераторов мощностью от 850 кВт до 3,0 МВт. Турбины сконструированы на основе проверенных уже в нескольких поколениях разработок, что позволяет гарантировать передовые на данном рынке производительность и легкость в обслуживании. Рабочие характеристики гарантируют способность вырабатывать энергию в условиях низких и средних ветров при минимальных расходах. Кроме того, конструкция турбин обеспечивает надежность и долговечность эксплуатации, что снижает простои и сохраняет инвестиции.

Спецификация

Энеркон на сегодняшний день является самым большим ветрогенератором в мире. Он удерживает абсолютное лидерство по количеству произведенной энергии и один из самых больших по габаритным размерам.

Спецификация

1. Конструкция ветрогенераторов. Различные виды ветрогенераторов выдают совершенно разные результаты своей работы. Надо чётко знать, какую желаемую мощность ожидаем получить от своей установки, какие погодные условия местности и после всего переходить к детальному знакомству с тем или иным типом ветряка.

1) По количеству лопастей. Очень часто многие заблуждаются в том, что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. Считая, что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из-за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать, чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.

Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.

Здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.

2) Материалам, из которых изготовлены лопасти.

Базальтовое волокно: Лопасти ветрогенераторов.

Энергию ветра превращает производство лопастей ветрогенераторов в одно из самых горячих применений для мировых производителей композитов. Огромный рост генерирущих мощностей, работающих от энергии ветра, особенно в США, Китае и Испании, потребовал соответствующего роста производства композитных частей для генераторов. Мировой рынок ветряков растет примерно на 23 % ежегодно за последние 10 лет.

Бурный рост производства оказывает значительное давление на производителей смолы, армирующих волокон и других материалов, используемых при производстве изделий, в том числе, лопастей. Помимо роста мощностей в количественном выражении, производители улучшают эффективность ветряных установок, в том числе увеличивая размер лопаток, что требует оптимизации технологий и использования новых материалов.

Для роста производства лопастей также необходимо увеличивать производительность производства. Поставщики материалов предлагают новые армирующие материалы с повышенными механическими характеристиками и смолы, которые могут полимеризоваться быстрее и при более низких температурах.

В последнее время большое внимание для использования в композитах уделяется базальтовым непрерывным волокнам. Базальтовые волокна изготавливаются из горных пород по технологии получения стеклянных волокон, что обуславливает их низкую цену (в некоторых случаях на порядок) по сравнению с углеродными волокнами. При этом, по величине модуля упругости и прочности базальтовые волокна при диаметре 10-17 мкм приближаются к характеристикам среднемодульного углеродного волокна.

Таким образом, базальтовое волокно имеет значительно лучшее соотношение цена/свойства по сравнению с карбоновым волокном.

По сравнению же с Е-стеклом, которое также широко используется для производства компонентов лопастей, базальтовое волокно обладает следующими преимуществами:

- Повышенная жесткость, стойкость к деформации;

- Более высокая прочность, означающая возможность уменьшения веса при том же размере лопатки. Уменьшение веса лопатки, в свою очередь, приводит к снижению стоимости используемых материалов, а также уменьшению времени на изготовление изделия.

- Возможность увеличения длины лопасти при том же весе, что у лопасти, сделанной с использованием Е-стекла.

- Простая переработка/утилизация в конце жизненного цикла. По анализу специалистов, к 2020 году в мире будет производится и, соответственно, утилизироваться одна лопатка длиной 40-65 метров и весов 6-10 тонн каждые три минуты. Имея ввиду существующие проблемы утилизации Е-стекла, экологические преимущества базальта могут выйти на первое место.

Различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла, но в ходе эксплуатации можно замучиться ремонтировать их.

3) По шаговому признаку винта. Ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но какова конструкция! Она сложна, увеличивает вес ветряка, то есть, потребует неисчислимых лишних затрат.

4) Горизонтальные и вертикальные ветрогенераторы. Различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные.

КПД ветрогенераторов. Общий коэффициент полезного действия вертикальных (20-30 %) и горизонтальных (25-35 %) ветрогенераторов приблизительно одинаков. Несмотря на то, что у ветряков с горизонтальной осью вращения КПД выше и скорость страгивания ниже, они практически компенсируются коэффициентом использования энергии ветра (КИЭВ), который немногим выше у вертикальных ветряков.

Как достигается больший КИЭВ у ветрогенератора? Вертикальные ветряки всегда находятся "по ветру" и им не нужно поворачиваться при изменении направления ветра. А вот горизонталки должны развернуться. В момент разворота горизонталок производительность падает, так как сила потока ветра затухает.

Некоторые компании используют для производства вертикальных ветряков постоянные (неодиимовые) магниты вместо подшипников. Это позволяет увеличить производительность системы до 15 %. То есть общая производительность таких ветровых генераторов вырастает всего на 3-5 % от общего суммарного КПД. Но в отличие от ветровых генераторов с подшипниками цена вертикальных ветрогенераторов с постоянными магнитами (т.н. левитационные ветрогенераторы) возрастает.

Срок службы. Срок службы у обоих типов ветряков практически одинаков. При правильном уходе и обслуживании он составляет 15-25 лет бесперебойной работы. Различаются только основные узлы, требующие большего внимания и периодической замены, на которые приходятся самые большие нагрузки.

В горизонтально-осевых ветрогенераторах основные нагрузки идут на опорно-подшипниковый узел и ступицу. А в вертикально-осевых ветрогенераторах ими также являются опорные подшипники, но в гораздо большей степени, чем у горизонталок, и лопасти.

Цена ветрогенераторов. Что касается цены, то стоимость вертикальных ветряков на сегодняшний день гораздо превышает стоимость горизонтальных. Зачастую это превышение может быть 1:2 или даже 1:3.

Заключение

Перспективы создания ВИЭ мирового уровня в нашей стране изначально гораздо более обнадеживающие именно в силу исключительно благоприятных природных факторов прежде всего в силу больших площадей и лучших ветровых условий. В сравнении с Европой и Азией ветроэнергетические мощности в Казахстане, при внедрении специальных инновационных усовершенствований, могут вырабатывать от 30 % больше электроэнергии.

Казахстан может достичь устойчивости экономического развития не только путем производства чистой электроэнергии, являющейся потребительским продуктом с высокой добавленной стоимостью, но создать постоянные и высоко квалифицированные рабочие места в строительной, электротехнической, машиностроительной и энергетической отраслях. Большой потенциал ВИЭ, располагаемый Казахстаном, позволит не только обеспечить чистой и возобновляемой энергией энергетически и ресурсно-дефицитные регионы страны, но и направить ее излишки для диверсификации экспорта не сырьевым массовым товаром.

ВИЭ становится неотъемлемой частью мировой энергетики. Многие страны вкладывают большие инвестиции в развитие ВИЭ и очень успешно.

Список литературы

1. http://group-global.org/ru/publication/16678-vozobnovlyaemye-istochniki-energii-osnova-zelenoy-ekonomiki.

2. http://www.solar-ct.com/articles/53-2006.

3. http://ecomotors.ru/index.php?productID=2292.

4. http://www.alterenergy.info/equipment/wind-turbines/277-enercon-e-82-2.

Размещено на Allbest.ru