Энергия ветра и перспективы её использования в тепловом балансе

В статье представлены возможности использования энергии ветра в различных регионах мира, СНГ. Рассмотрены экономические аспекты использования энергии ветра и варианты  внедрения в теплоэнергетику. 

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Так, в конце 2008 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 120 гигаватт, увеличившись с 2000 года в шесть раз.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров [1].

В отличие от традиционных тепловых электростанций ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы. Турбины занимают только 1% от всей территории ветряной фермы [2]. На 99% площади фермы можно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселѐнных странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землѐй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаѐтся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход.

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины, мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas, имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров [5].

В августе 2002 года компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины - 126 метров, вес гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 7,5 МВт для офшорного применения [3].

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещѐ встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов — механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике [2].

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ [6]:

  1. Отопление является основным энергопотребителем любого дома в Казахстане.
  2. Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
  3. В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
  4. Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19—25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C без ущерба для потребителей.
  5. Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле. Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2,

9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить, примерно, 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

В таблицах 1 и 2 указаны удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт•ч электроэнергии и зависимость себестоимости электричества, производимого ветрогенераторами, в зависимости от скорости ветра. 

Таблица 1 - Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт•ч электроэнергии [4]

 Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт•ч электроэнергии 

Таблица 2 - Себестоимость электричества, производимого вет рогенерат о рам и в зависимости от скорости ветра [4]  

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. Ожидается, что себестоимость ещѐ снизится на 35—40% к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, являются [5]:

  • необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (требуется применение инвертора);
  • необходимость автономной работы в течение некоторого времени (требуется применение аккумуляторов);
  • необходимость длительной        бесперебойной        работы       потребителей        (требуется     применение дизель-генератора).

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. В силу географического расположения и климатических условий Казахстан имеет значительный ветровой потенциал, который до настоящего времени практически не используется в энергетическом балансе страны [7].

На рисунке 1 представлены данные по мощностям, вырабатываемым в мире при использовании энергии ветра.

 Суммарные установленные мощности, МВт, и прогноз до 2010 г [5]

Рисунок 1 - Суммарные установленные мощности, МВт, и прогноз до 2010 г [5] 

За период осуществления проекта «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергии» были выполнены основные задачи проекта, в том числе: подготовлен проект Национальной программы развития ветроэнергетики, подготовлен проект закона по поддержке возобновляемых источников энергии, осуществлен годовой мониторинг ветропотенциала в восьми местах по регионам Казахстана, получены годичные данные по ветровому потенциалу, подготовлены предварительные технико-экономические обоснования по строительству ряда ветростанций в регионах Казахстана.

21 октября 2009 в рамках проекта состоялась презентация Первого ветрового атласа Казахстана. Он представляет собой интерактивную карту, позволяющую получить информацию о среднегодовой скорости ветра в выбранной точке, и определять перспективность использования энергии ветра в тех или иных местах для получения электроэнергии. Согласно ветровому атласу, более 50 000 кв. км территории Казахстана имеет хороший ветровой потенциал, который теоретически может быть использован для выработки около 900 000 ГВтч электроэнергии в год.

Для реализации проекта «Джунгарские ворота» необходимы специальные ветроустановки. Обычные ветроустановки, производство которых налажено во многих странах мира, в основном в западной Европе, работают при силе ветра в четыре-пять метров в секунду, тогда как в районе Джунгарских ворот скорость ветра достигает 35-40 метров в секунду. И ветрогенераторы там просто сносит. Они стандартные ветрогенераторы установлены чуть в стороне от ветровой трубы, и электричество получают от ветра [9].

Но этим казахстанские ресурсы не исчерпываются, за исключением ряда регионов на юге и юго-западе. Выбрано, по меньшей мере, пятнадцать перспективных площадок для строительства крупных ветроэлектростанций (ВЭС). А плотность ветрового потенциала в ряде мест республики составляет 10 мегаватт на квадратный километр – это уникальный ветровой потенциал.

Для развития ветроэнергетики в Казахстане есть ряд других плюсов: громадная территория, удаленность многих населенных пунктов от крупных электростанций, сконцентрированных у угольных месторождений, приводит к необходимости иметь линии электропередачи значительной протяженности (порядка 420 тыс. км). Что, во-первых, ведет к большим технологическим потерям при транспортировке электроэнергии (около 14 проц.), во-вторых, к уязвимости электроснабжения от электросетевых повреждений.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередач и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума [8]:

  • механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей);
  • аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки). Шум от ветрогенератора в 350 м на уровне 35-45 дБ.

При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи  обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки. Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля. 

 

 Литература

  1. http://www.membrana.ru/lenta/?8553
  2. Global Wind Energy Council News.
  3. Alan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, 4 Jorn Floating wind turbine launched, BBC NEWS, BBC, p. 5 June 2009. Проверено 23 ноября 2009.
  4. Испания получила рекордную долю электричества от ветра
  5. Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии
  6. http://www.regionru/index.php?nm=7&pg=5
  7. http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций
  8. http://www.wind-energie.de/en/wind-energy-in-germany/overview/
  9. http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/story?id=48410
Год: 2011
Город: Павлодар