Ветроэнергетика вчера, сегодня, завтра
К середине XX в. по ряду причин, из которых важнейшими являются экологическая безопасность и ограниченность природных ресурсов земли, в наиболее развитых странах были приняты государственные программы. В нашей стране в последнее время этому вопросу также уделяется большое внимание.
Так, опубликовано Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 г. № 1234-р, которым утверждена "Энергетическая стратегия России на период до 2020 года".
Этот документ определяет долгосрочную государственную энергетическую политику и будет служить основным ориентиром для решения общегосударственных задач в росте экономики и повышении качества жизни населения России.
При определении перспектив развития топливно-энергетического комплекса России значительное место в "Стратегии" уделяется возобновляемым источникам энергии, характеризуемым, как источники непрерывно возобновляемых в биосфере земли видов энергии: солнечной, ветровой, океанической, гидроэнергии рек, геотермальной, энергии биомассы и др.
Это связано с тем, что доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии составила в 2002 г. всего около 0,5% от общего производства, или 4,2 млрд. кВт. И это при том, что неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их интенсивного использования.
Известно, что запасы не возобновляемых источников энергии - нефти, газа, угля, горючих сланцев, торфа, урановой руды - катастрофически исчерпываются, поэтому ученые и инженеры многих стран напряженно работают над созданием оборудования, позволяющего использовать, в частности, энергию ветра.
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ (ВЭУ)
Еще до того, как была изобретена паровая машина, энергия ветра занимала лидирующее положение в ряду других видов энергии, используемых человеком. За счет энергии воздушных потоков передвигался военный и торговый флот, работали ветряные мельницы.
С изобретением паровых машин, а впоследствии двигателей внутреннего сгорания и электрических машин, ветродвигатели были вытеснены более мощными способами получения энергии от единой энергосистемы.
УСТРОЙСТВО ВЭУ
Типичная ВЭУ cостоит из: головки (ветротурбина, генератор, поворотное устройство); блока управления и преобразования (инвертора); мачты; аккумуляторной батареи. Форма выходного напряжения - модифицированная синусоида, что позволяет запускать электродвигатели (холодильники, глубинные электронасосы и т. д.).
Ветротурбина - трехлопастная быстроходная c аэромеханической системой стабилизации частоты вращения - обычно находится с подветренной стороны мачты для обеспечения ориентации по направлению ветра без применения киля. Ветротурбина, как правило, снабжается устройством флюгирования, с помощью которого ее можно остановить с земли.
Многополюсный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, соединен с ветротурбиной напрямую без трансмиссии. Отсутствие трансмиссии и скользящих контактов повышает надежность и ресурс ветроустановки.
Поворотное устройство: служит для закрепления головки на мачте и обеспечивает ориентирование по направлению ветра. Для обеспечения плавности ориентирования в поворотном устройстве применен гидравлический демпфер.
Блок управления и преобразования (инвертор) выполняет следующие функции:
- накопление энергии, вырабатываемой ВЭУ в аккумуляторной батарее, обеспечивающей продление срока службы батареи при сохранении потребительских свойств;
- преобразование накопленной энергии;
- цифровая индикация текущих параметров (мощности ветрогенератора и нагрузки, напряжения на батарее, времени до разряда батареи, если мощность нагрузки превышает мощность генератора, и т. д.);
- автоматическая коммутация нагрузок на сеть или преобразователь, в зависимости от режима работы и наличия сетевой энергии;
- подзарядка батареи от сети.
Мачта представляет собой трехгранную ферму, выполненную из стальных труб. Она устанавливается на предварительно подготовленный бетонный фундамент без применения подъемной техники и сварки. Для транспортировки мачта разбирается на элементы с максимальной длиной 3,1 м.
Аккумуляторная батарея состоит из двух стандартных автомобильных аккумуляторов. Возможно применение стационарной батареи (схема ВЭУ представлена на рисунке 1).
НЕКОТОРЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭУ
Следующие технические характеристики помогут читателю разобраться, какой тип ВЭУ будет наиболее приемлем.
Номинальная мощность ВЭУ - максимальная мощность системы перед тем, как вступит в действие механизм ограничения скорости вращения.
Любая ВЭУ может достигнуть максимальной мощности (более высокой, чем номинальная). Чем быстрее вращается генератор ВЭУ, тем больше производимый им ток. Так может продолжаться, пока не сгорит генератор.
Поэтому изготовители обычно оценивают номинальную мощность ВЭУ на безопасном уровне, значительно ниже точки саморазрушения.
Номинальная скорость ветра - скорость ветра, при которой генератор достигает своей номинальной мощности. В ветроэнергетике не существует стандарта для номинальной скорости ветра, хотя большинство компаний принимает этот параметр в пределах от 11 до 12,5 м/с. Следует обратить внимание, что не все ВЭУ одинаковы, даже если они имеют сопоставимую номинальную мощность. В прошлом некоторые изготовители злоупотребляли завышением номинальной мощности за счет номинальной скорости ветра.
Для потребителя важно выбрать генератор, дающий самую высокую номинальную мощность при самой низкой номинальной скорости ветра.
Номинальная скорость вращения генератора - та скорость, при которой достигается номинальная мощность. Чем меньше ротор или ветроколесо, тем быстрее вращение лопастей. Скорость вращения будет влиять на количество шума, которое производит ВЭУ.
Начальная скорость ветра - скорость, при которой ВЭУ начинает производить электроэнергию. Некоторые изготовители декларируют начало работы ВЭУ при очень низкой скорости ветра (от 1,3 до 1,75 м/с).
На практике же при ветре со скоростью ниже 2,5-3 м/с пригодная к употреблению энергия не производится, даже при том, что лопасти могут вращаться. Чтобы получить энергию из более слабого ветра, нужно значительно увеличить размер лопастей. Но тогда вас ждут большие проблемы при попытке управлять работой ВЭУ при более сильном ветре.
Чем больше диаметр ротора (под "ротором" понимаются лопасти со ступицей в сборе), тем больше обметаемая поверхность лопастей, и тем большее количество энергии может выработать ВЭУ.
Некоторые изготовители классифицируют свои изделия по мощности или скорости ветра. Однако выработка ВЭУ, прежде всего, зависит от площади обметаемой поверхности лопастей. Поэтому диаметр ротора является ключевым параметром при сравнении различных ВЭУ.
ПРОИЗВОДИТЕЛИ ВЭУ
Мировыми лидерами в ветроэнергетике принято считать такие страны, как США, Дания, Германия, Испания.
В Великобритании построена одна из крупнейших ветряных электростанций, расположенная в Шотландии. Она способна обеспечивать электроэнергией почти 23 тыс. домов. Ее 24 ВЭУ, установленные на 75-м мачтах, имеют суммарную мощность 31,2 мегаватт.
В Германии около города Магдебург, недавно введен в эксплуатацию самый большой в мире генератор энергии ветра типа Е112. Это устройство производит электроэнергии, достаточно для обеспечения 15 тыс. домов.
Обычная тепловая станция такой же мощности ежегодно выбрасывает в атмосферу более 50 тыс. т углекислого газа.
Транспортировка и инсталляция ВЭУ обошлись дорого. Доставлять огромные части генератора пришлось по реке Эмс на специальных баржах. Башня высотою в 120 м со всем оборудованием весит 440 т. Новое поколение этих генераторов энергии ветра будет вводиться в строй в прибрежной полосе Северного и Балтийского морей, где ветер умеренно сильный, а главное - постоянный. Программой федерального правительства предусматривается увеличение доли энергии ветра в энергетике Германии к 2020 г. до 30%.
В Китае, с санкции Госсовета КНР, Министерства финансов и Государственного налогового управления КНР совместно обнародовали циркуляр, согласно которому объем налогообложения на добавленную стоимость ветряных электростанций снизится наполовину. Этот шаг направлен на поощрение выработки электроэнергии с помощью ветра.
В начале XX в. наша страна была лидером по использованию энергии ветра. В России до революции насчитывалось около 250 тыс. ветряков. Затем в 30-х гг. XX в. у нас было освоено производство разнообразных ВЭУ мощностью в 3-4 кВт, которые выпускались серийно. Серийное производство ветродвигателей было остановлено лишь в 50-е гг. из-за невозможности конкурировать с развитием единой Союзной энергосистемой.
Сейчас у нас ветроэнергетика не занимает существенных позиций в общем балансе вырабатываемой электроэнергии. И это несмотря на то, что по всем видам оборудования для возобновляемых источников энергии Россия соответствует мировому уровню, за исключением ветроустановок мощностью 30 и более кВт, которые, в соответствии со "Стратегией", должны быть доработаны с учетом передового зарубежного опыта.
Достаточно вялому развитию ветроэнергетики в нашей стране сопутствует много причин. Самые существенные из них - это отсутствие государственной программы развития и большая стоимость ВЭУ. Между тем, Россия всегда располагала квалифицированными инженерно-техническими кадрами, способными разрабатывать, строить и запускать в долгосрочную эксплуатацию надежно работающие ветроэнергетические установки. При этом, ВЭУ способны работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное снабжение почти дармовой электроэнергией многочисленных ее потребителей.
На Черноморском побережье, от Анапы до Геленджика, в свое время, были размещены испытательные полигоны ВЭУ. В последнее время они пребывают в плачевном состоянии, многие ветряки вообще демонтированы.
Неоценимо применение ВЭУ в районах Крайнего Севера, где ветры дуют много дней в году, а потребность в электроэнергии огромна. К сожалению, очень большие территории России не имеют еще качественного электроснабжения. Особенно это относится к труднодоступным районам Севера, Сибири, Алтая и т. д., что обусловлено большими расстояниями от централизованных источников. Однако эту ситуацию возможно исправить за счет строительства автономных ВЭУ. На это и нацелена "Энергетическая стратегия России".
На Чукотке, на мысе Обсервации, который расположен напротив Анадыря,более чем за 100 лет наблюдений не зарегистрировано ни одного безветренного дня. В марте 2002 г. там установлен первый из десяти агрегатов будущей ветряной электростанции. Высота мачты ветряной электростанции составляет примерно 44,5 ма. Один агрегат способен вырабатывать 250 квт/час электроэнергии. С его помощью можно частично обеспечить электроэнергией три близлежащих поселка: Угольные Копи, Шахтерский и Аэропорт. Сейчас жители этих населенных пунктов живут за счет дизельных электростанций, которые сжигают огромное количество солярки. Завоз такого топлива на Чукотку обходится дорого. Недешево обходится и обслуживание станций, которые к тому же давно выработали свой ресурс. Этим и был обусловлен интерес руководителей административного округа к установке альтернативного источника получения электроэнергии. Реализуемый проект уникален. Еще ни в одном месте земного шара в условиях Крайнего Севера не проводились испытания ветряной электростанции такой мощности. Подобное есть в Воркуте, но и там монтажники не сталкивались с такими сложными климатическими условиями. Монтаж проходил при температуре 45 0С при скорости ветра 20-25 м/сек. Это означает, что на самом деле температура была около -60-65 0С, но преодолеть это стоило. После реализации проекта, проблема обеспечения дешевой электроэнергией населенных пунктов, расположенных на берегу Анадырского лимана, будет решена.
В настоящее время у нас в России достаточно много фирм, работающих над созданием и внедрением ВЭУ. Например, Концерн "Антей", фирма "Сапсан-энергия ветра".
Ряд компаний создали опытные образцы принципиально новых конструкций ВЭУ, более дешевых и экономичных в эксплуатации, позволяющих в большей степени учитывать мнение экологов.
Одна из них - "Нотека-С", которая создала принципиально новую вихревую ветроустановку. Ноу-хау этой установки - генератор вихря. Установка прошла трубные испытания в аэродинамической трубе ЦАГИ, но не доведен до конца этап НИОКР из-за недостающих средств.
И тем не менее, нет сомнения, что так или иначе, в России будет развиваться отрасль производителей оборудования, использующих нетрадиционные, возобновляемые источники энергии. Энергия солнца, воздуха, воды, ветра будут служить человечеству, не нарушая его гармонии с природой, даров которой становится все меньше и меньше.
Обзор подготовлен с использованием материалов редакции СтройПРОФиль.
| Автор: Куртик Ф. А. Дата: 25.03.2004 Журнал Стройпрофиль 2-04 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |