Основы современной малой энергетики

Энергия ветра

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 г. был оценен в 300 млрд кВт∙ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5 %. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно повышает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/с, называется умеренным, 14-20 м/с – сильный, 20-25 м/с – штормовым, а свыше 30 м/с – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.

По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т. д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и др. странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Известно, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы использовать его в работе, обходятся слишком дорого.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде или в интерметаллическом аккумуляторе и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Солнце по-разному обогревает участки земной поверхности – горы и долины, океаны и сушу. Воздушный океан, на дне которого мы живем, всегда неспокоен. Постоянно и повсюду дуют ветры – от легкого ветерка, приносящего желанную прохладу в летний зной, до могучих и грозных ураганов.

Мысль об использовании огромной энергии движущихся воздушных масс давно уже привлекала людей. Да и использовать эту энергию научились за тысячу лет до нашей эры. Энергия ветра помогала преодолевать просторы океанов, ветряные мельницы служили единственным источником энергии для тех человеческих поселений, где не было рек или моря. И теперь интерес к использованию энергии ветра, источника нескончаемого, не прошел, и, более того, техника XX в. открыла для этого совершенно новые возможности.

Активное использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и правительствами развитых стран. Признанным лидером в области ветроэнергетики являются США и Германия, где установленная мощность ветроэнергетических установок составила в 1997 г. 1590 и 1550 МВт. Последующие места занимают Дания, Индия и Нидерланды. В этих странах мощности ветроэнергетических станций равнялись 825, 820 и 285 МВт соответственно. Ветроэнергетическое машиностроение выделилось в отдельную отрасль. На мировом рынке действуют десятки достаточно крупных фирм. Имеются тенденции к увеличению производства ветроэнергии во многих странах мира, например в Дании в настоящее время ветроэнергетические станции обеспечивают 4 % потребляемой в стране энергии, а в 2030 г. на их долю придется половина всей производимой в стране электроэнергии.

Ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора, который и вырабатывает электроэнергию. Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра. Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой.

Удивительно разнообразны конструкции современных ветроустановок. Питер Макгрэв из Англии разработал проект ветроэнергетической установки мощностью 3 тыс. кВт с двумя лопастями, укрепленными на горизонтальной оси. Известная авистроительная фирма «Макдоннел – Дуглас» спроектировала установку такого же типа, но с тремя лопастями. А западногерманская фирма «Мессершмит – Бельков – Блом» разработала конструкцию ветроколеса с одной лопастью длинной 74 м, установленной на башне высотой 120 м. Мощность этого гиганта должна составить 5 тыс. кВт. Встречаются и конструкции, где ветер должен вращать устройство, напоминающее огромное велосипедное колесо, на котором вместо спиц укреплены лопасти.

Для эффективной работы ветроустановок необходимы определенные требования по их размещению. Так, для относительно постоянной работы ветроэнергетических установок требуется их размещение в местностях, где ветровой потенциал составляет 2 500 ч в год.

Ветровые условия района применительно к ветроиспользованию характеризуются ветроэнергетическим потенциалом, который включает в себя различные показатели ветра, определяемые по результатам многолетних наблюдений среднегодовой и среднемесячной скорости ветра; повторяемость скорости и направление ветра в течение года, месяца, суток; данные о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра; изменения его с высотой и т. п.

Достоверность оценки ветрового потенциала местности – наиболее важный фактор, определяющий эффективность ветроэнергетических станций. В общем случае для его определения необходимо проведение непрерывных наблюдений в месте предполагаемого строительства ветроэнергетических станций продолжительностью не менее года. При проектировании большого количества ветроэнергетических станций эта задача требует огромных трудозатрат, поскольку для каждой ветростанции рассматривается несколько вариантов площадок.

Современные ветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя на высоте 50-70 м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для мест строительства крупных ветроэнергетических станций, предназначенных для работы в мощных энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера (10 м) должна составлять не менее 6 м/с. Следует учитывать, что наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобы установка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью и ветроколесо было установлено достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветропоток был сильным, однородным с минимальными флуктуациями скорости и направления.

Энтузиасты ветроэнергетики предлагают построить в наиболее ветреных местах Земли группы ветроагрегатов, соединять их между собой, а затем полученную энергию передавать в энергетическую систему. Датские специалисты предлагают разместить ветровые электростанции в море, где сила ветра всегда больше, чем на суше. Они подсчитали, что группа из двухсот морских ветроагрегатов может выработать за год столько энергии, сколько ее содержится в полумиллионе тонн угля.

Далее стоит вопрос выбора расчетных параметров ветроэнергетических установок для заданного (определенного расчетным путем или экспериментально) ветрового потенциала, т. е. выбора экономически оптимального размера ветроэнергетической установки. Так, например, в Калифорнии на ветроэнергетической станции «Алтамон» несоответствие выбранного типоразмера ветроэнергетической установки и действительного ветрового потенциала привело к тому, что установка вырабатывает 50-60 % расчетного количества энергии. Затем следует обосновать оптимальные сроки службы и оптимальные показатели надежности ветроэнергетической установки, решить вопросы резервирования, изучить характеристики потребителей, рассмотреть область целесообразного использования ветроэнергетических установок в зависимости от конкретных условий.

Таблица.2.1

Сила ветра по шкале Бофорта, ее влияние

на ветроустановки и условия их работы

Продолжение табл. 2.1

Окончание табл. 2.1

Следует отметить, что была разработана классификация силы ветра по шкале Бофорта и изучено влияние ее на характеристики ветроэнергетических установок различных классов и условия их работы.

По данным американских фирм, разрабатывающих ветровые установки, расчетная стоимость 1 кВт мощности составляет 935 долл. для станции мощностью 500 кВт и 430 долл. для станции мощностью 1500 кВт, т. е. вполне приемлемые значения. Однако следует учесть соображения о необходимости учета стоимости земельных и экологических факторов, что может существенно изменить указанные величины. Экономически приемлемой считается работа ветровой установки в течение примерно 2 500 ч/год. Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5-6 кВт экономически оправдано при скорости ветра 3,5-4,0 м/с. Для больших установок требуется скорость ветра, равная 5,5-6,0 м/с. Сразу же возникает вопрос, – что делать потребителю в то время, когда нет ветра или его скорость недостаточна для обеспечения работы установки? В этом случае имеется несколько возможностей. Одна из них – использование резервного источника энергии, в частности подключение другой энергосистемы. Другой вариант предусматривает работу ветровой установки с аккумулятором энергии.

Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:

- положению ветроколеса относительно направления ветра;

- геометрии ветроколеса;

- по мощности ветроустановки.

В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные – с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.

Ветроколеса с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентраторами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции.

Следует отметить, что ветроколеса с вертикальной осью вращения, в отличие от таковых с горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальными недостатками являются большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроагрегатов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов вертикально-осевых установок.

По мощности ветроустановки делятся на установки малой мощности до 100 кВт, на средней от 100 до 500 кВт и большой (мегаваттного класса) 0,5-4 МВт и более.