Ветрогенераторные фермы, большие станции

Ветроэнергетика активно возрождается и совершенствуется по всему миру.

Использование ветроэнергетики в масштабных электростанциях, для обеспечения электроэнергией локальных проектов отдельных зданий и в качестве микрогенераций с другими источниками энергии рассматривается как полноценный ресурс для электроснабжения — автономный, неограниченный, свободный и экологически чистый.

Это особенно актуально в связи с проблемой выбросов CO2 и глобальным потеплением, дорожанием энергоресурсов, производимых из нефти, а также газа и угля.

Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в  атмосферу 1800 тонн CO2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота.

По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 г. мировая ветроэнергетика  позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 млрд тонн.

С экономической точки зрения по некоторым оценкам, в странах, где ветроэнергетика активно развивается, она уже сейчас может конкурировать с тепловыми энергоисточниками по себестоимости энергии за киловатт.час.   

Поэтому во всем мире технология добычи электроэнергии из ветра совершенствуется и активно задействуется при создании жилой среды обитания человека.

В связи с проблемами экологии и технологическим прогрессом, Запад, планово переходит на возобновляемые источники энергии и видит в этом целевую стратегическую программу.

На ветроэнергетику делается серьезная ставка, как на здоровый и весьма эффективный вид энергии.

При всех минусах, в нем обнаруживаются несомненные очень весомые плюсы, которые заставляют эту область инженерной мысли неукоснительно двигаться и развиваться.

Вместе с развитием технологии преодолеваются и всевозможные проблемы и препятствия, происходит увеличение мощностей и гибкости в использовании ресурса на фоне планового удешевления устройств для получения энергии из ветра, ветроэнергетика становится все более доступной с экономической и бытовой точек зрения как и очевидной и понятной для большинства потребителей.

По данным Всемирной метеорологической организации, всего на земном шаре ветер создает  более 1,7 трлн киловатт энергии в год.  К настоящему времени в мире установлено более 20 тыс. ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн кВт.

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт. ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных  батарей (АБ) и энергоснабжения различных объектов (жилых домов и ферм в неэлектрофицированных районах или в регионах, имеющих перебой в электроснабжении и пр.) до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения.

Ветряки составляют прекрасное дополнение в качестве микрогенераций с другими источниками энергии в любых зданиях, как в отдельно стоящих домах, так и в городской среде.  

Применять энергию ветра человечество научилось не вчера и даже не в 19 столетие. Достаточно вспомнить ветряные мельницы и паруса для кораблей.

Историки утверждают, что древние египтяне еще 5 тыс. лет назад научились ходить под парусами, а около 700 г.н. э на территории нынешнего Афганистана ветряные машины с вертикальной осью вращения применялись для помола зерна.

Начиная с 14 в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии. Их использовали для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. В 15 веке в Голландии использовали ветряки для осушения польдеров – отвоеванных у моря земель. 

В США водяной насос, работающий за счет энергии ветра, появился в 1854г. Он представлял собой ту же модель ветряной мельницы с большим количеством лопастей и флюгером для определения направления ветра. К 1940 году в США насчитывалось более 6 миллионов таких ветряков.

Первые проекты ветряных установок, способных вырабатывать электроэнергию, стали разрабатываться в конце 19 – начале 20 веков.  В 1926 г. в Берлине на башне высотой 15 м был установлен первый экземпляр ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м. Его крылья были сделаны из легкого металла – лоталя.

В дореволюционной России ветряные установки использовались в основном для помола зерна. Тогда в стране их насчитывалось около 200 тыс. и перемалывали они, как считается  более 2 млрд пудов зерна в год.

Уже после революции в 1918 г. профессор В. Залевский создал теорию ветряной мельницы и вывел несколько положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В 1925 г. профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте.

В 30-х годах 20 века в России было освоено серийное производство разнообразных ветроустановок мощностью 3-4 кВт.

В 1931-м в СССР заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт. 

В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт.

В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт – её можно назвать прообразом современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель».

Однако с начала 60-х годов энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована исключительно на строительство крупных ТЭС, ГЭС, АЭС, нефте и газо добывающую промышленность, что естественно, затормозило развитие в целом альтернативной энергетики, и в частности ветроэнергоустановок.

Очевидно, что сегодня, особенно в условиях глобальной экономической приостановки, в нашей стране можно и нужно возобновить это приоритетное направление энергетики т.е. немного изменить курс корабля, хотя бы для того чтобы следовать в ногу со временем и на основе благоразумных решений в отношении природы и экологии участвовать в общих процессах оздоровления мира.

Ветрофермы или ветрогенераторные станции — это комплексы ВЭУ, часто установленных рядами, которые перпендикулярны господствующему направлению ветра.

При разработке такого проекта нужно учитывать наличие дорог для доступа к агрегатам, подстанции, мониторинговой и контрольной системам. Обычно участок земли, отведенный под ветроферму, используется и на другие нужды, например сельскохозяйственные.

Большие ветрогенераторные станции являются сегодня весьма актуальными проектами масштабного электроэнергоснабжения, поскольку решения, направленные на развитие возобнавляемых источников энергии, являются сегодня приоритетными для большинства развитых стран.

По некоторым оценкам, в странах, где ветроэнергетика активно развивается, она уже сейчас может конкурировать с тепловыми энергоисточниками по себестоимости энергии за киловатт/час.

По сравнению с 80-ми годами прошлого столетия себестоимость ветровой энергетики уменьшилась почти на 80% до около 70 евро за мегаватт/час и в 2008г. достигла рекордного уровня.

Учитывая это, аналитики уверены, что ветровая энергетика может конкурировать с тепловой энергетикой (по крайней мере в западном мире).

По некоторым прогнозам, до 2015 г. электроэнергия, полученная на основе газа и угля, будет намного дороже, чем ветровая энергия в связи с истощением мировых запасов и активным повсеместным развитием возобнавляемой энергетики.

В общем, за последние три года мощности ветровой энергетики в мире выросли в 2 раза.

В ближайшее время рынок ветровой энергии конечно ощутит негативное влияние экономического кризиса и в 2009 г. будет развиваться медленнее, чем в 2008 г., но процесс активного развития ветровых энергостанций в мировом масштабе неминуем.

Первая в мире современная ветроэлектростанция с горизонтальной осью мощностью 100 кВт была построена  в 1931 г. в Крыму.

Дания, как ведущая сегодня страна в ветроэнергетике, достигла больших успехов в использовании воздушных потоков для производства электроэнергии. Ветрогенераторные станции уже сегодня обеспечивают десять процентов потребностей страны в электричестве.

В ближайшие десятилетия этот показатель будет постепенно возрастать и к 2030 г. достигнет 50%.

Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. 

В 2008 г. суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 120 ГВт.

Ветряные электростанции всего мира в 2007г. произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии.

Во всём мире в 2008 г. в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тыс. человек. В 2008г. мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 млрд евро, или около $46,8 млрд. 

В 2007 г. в Европе было сконцентрировано 61% установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20%, Азии 17%. 

Правительством  Канады установлена цель к 2015 г. производить 10% электроэнергии из энергии ветра.

Германия планирует к 2020 г. производить 20% электроэнергии из энергии ветра.

Европейским Союзом установлена цель: к 2010 г. установить 40 тыс. МВт ветрогенераторов, а к 2020 г. — 180 тыс. МВт. 

Страны Евросоюза в 2005 г. вырабатывают из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии.

В 2007 г. ветряные электростанции Германии произвели 14,3% от всей произведённой в Германии электроэнергии.

В 2007 г. более 20% электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра.

Индия в 2005г. получила из энергии ветра около 3% всей электроэнергии.

В 2007 г. в США из энергии ветра было выработано 48 млрд кВт·ч электроэнергии, что составляет более 1% электроэнергии, произведённой в США за 2007г. 

В Испании 22 марта 2008 г. из энергии ветра было выработано 40,8% всей электроэнергии страны. В этой стране к 2011г. будет установлено 20 тыс. МВт ветрогенераторов.

В Китае принят Национальный План Развития. В нем сказано, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 г. и до 30 тыс. МВт к 2020 г.

Индия к 2012 г. увеличит свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005г. К 2012 г. будет построено 12 тыс. МВт новых ветряных электростанций.

Новая Зеландия планирует производить из энергии ветра 20% электроэнергии.

Великобритания планирует производить из энергии ветра 10% электроэнергии к 2010 г.

Египет намерен к 2010 г. установить 850 МВт новых ветрогенераторов.

Япония планирует к 2010 — 2011 г. увеличить мощности своих ветряных электростанций до 3 тыс. МВт.

Международное Энергетическое Агентство International Energy Agency (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. спрос на ветрогенерацию составит 4,8 тыс. Гигаватт. 

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 тыс. млрд кВт·ч/год.

Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями России.

Установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2006 г. составляет около 15 МВт.

По сравнению с западными странами Россия явно делает недостаточно усилий для развития ветроэнергетики.

Ветроэнергетика как альтернативный ресурс энергии может стать стабилизирующим звеном экономики России, ввиду возможного падения цен на нефть и газ и сокращения их добычи ввиду развития альтернативной энергетики и сокращения потребительского спроса.

Сегодня наша экономика имеет монополярную ориентацию на экспорт нефти, атомной энергии, газа и угля.

Именно эти ресурсы являются существенной долей валового дохода государства и определяют уровень стабильности экономики.

В случае падения спроса на традиционные энергоресурсы или колебания цен — экономическая стабильность страны подвергается опасности.

Прежде всего, ветроэнергетика — это возможность электроснабжения за счет свободного, бесконечноемкого и экологически безопасного ресурса — ветра.

Ветрогенераторные станции вырабатывают достаточную электроэнергию без вредных выбросов, сокращают эмиссию CO2 в атмосферу, таким образом восстанавливают экологию, их ресурс неисчерпаем и неиссякаем в перспективе.

Мощные ветрогенераторные станции способны решать проблемы энергоснабжения как крупных населенных пунктов так и небольших поселений. Уже сегодня один ветрогенератор станции способен вырабатывать до 7,5 Мвт.

Обычно ветрогенераторные станции насчитывают от 5 до нескольких сотен ветрогенераторов, расположенных рядом друг с другом.

Особенно выгодно рассматривать ветрогенераторные станции в условиях нового строительства на неосвоенных территориях.

Ветрогенераторные станции дают определенную свободу и независимость от ценообразования на ресурс ввиду своей автономности и бесплатности ветра.

Ветер, движущийся горизонтально вдоль открытого пространства земли или поверхности моря, при соприкосновении с крыльями ротора ветрогенератора, заставляет их вращаться, те в свою очередь, вращают стержневую ось, которая приводит в движение механизмы генератора, преобразующего механическую силу вращения в электроэнергию.

Лопасти ВЭУ вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ВЭУ.

В основном для ветрогенераторных энергостанций используется ветряки с горизонтальной осью вращения.

ВЭУ с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, — наиболее распространенный тип ВЭУ.

Расположение ведущего вала ротора — части турбины, соединяющей лопасти с генератором, — считается осью машины.

У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально.

В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой — так называемый наветренный ротор или за опорой — подветренный ротор.

Чаще всего турбины с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим числом лопастей.

Последние ВЭУ представляют собой диск с большим количеством лопастей. Они получили название «монолитных» установок.

Такие установки используются, в первую очередь, в качестве водяных насосов.

Когда ротор турбины с малым количеством лопастей (две-три) не является сплошным, такие ветрогенераторы относят к «немонолитным» установкам.

Для наиболее эффективной работы ВЭУ ее лопасти должны максимально взаимодействовать с ветровым потоком, проходящим через площадь вращения ротора.

ВЭУ с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения.

В то время как установки с двумя или тремя лопастями должны вращаться с очень высокой скоростью, чтобы максимально «охватить» ветровые потоки, проходящие через площадь ротора.

ВЭУ с большим количеством лопастей менее эффективны, чем турбины с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу.

По способу взаимодействия с ветром ВЭУ делятся на установки с жестко закрепленными лопастями без регулирования и на агрегаты, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом.

Обе конструкции имеют преимущества и недостатки. ВЭУ, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии.

В то же время, эти ВЭУ должны быть оснащены специальными подшипниками, которые, исходя из имеющегося уже опыта, часто являются причиной поломок агрегатов.

Турбины с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, однако их эффективность использования ветрового потока ниже.

Ветроколесо

Ветроколесо (ротор) преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины.

Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин.

Лопасти ветроколеса производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас.

Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 м, вес лопасти может превышать 1 тыс. кг. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна.

Мультипликатор-трансмиссия

Мультипликатор-трансмиссия — промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора.

Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются.

Башня

На башне (ее иногда укрепляют стальными растяжками) установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м.

Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни.

Основание

Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину.

Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Система контроля

Большинство систем ВЭУ контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ВЭУ.

Система контроля угла наклона лопастей «разворачивает» лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора разворачивает ВЭУ по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.

Электронная система контроля

Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра.

Генератор

Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ВЭУ.

• Фундамент
• Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
• Башня
• Лестница
• Поворотный механизм
• Гондола
• Электрический генератор
• Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
• Тормозная система
• Трансмиссия
• Лопасти
• Система изменения угла атаки лопасти
• Колпак ротора
• Система пожаротушения
• Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
• Система молниезащиты

Промышленные ветрогенераторы разделяются по размерам и мощностям, а также по адаптивности к местности в которой они будут размещены: холмы, равнина, прибрежная зона, морские заливы.

Важнейшим фактором является сила и частота ветра в месте, где устанавливается ветрогенераторная станция.

Если выразить эту типологию вобщем, то промышленные ветрогенераторы начинаются от 10 до 115 м в высоту.

Соответственно высоте, пропорционально увеличивается диаметр и размер крыльев. 

Следовательно, увеличивается и мощность вырабатываемой энергии от 5 Квт до 7,5 Мвт с одного ветряка.

Есть примерно 10 градаций между этими крайними показателями по размерам и мощности.

Важным качеством ветрогенераторной станции является то, что ВЭУ могут быть соединены с общей электро сетью и передавать вырабатываемую энергию в нее, или могут быть автономными, где потребитель находится в непосредственной близости от ветроагрегата.

Ветрогенераторы могут сочетаться с любыми другими эффективными способами выработки энергии — дизельными подстанциями, газогенераторными станциями, фотоэлектрическими панелями и т. д. Они очень эффективно работают в цепи комплексных микро и макро генераций энергии для электричества и отопления.

Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике.

Ветрогенераторные станции требуют открытых пространств с частыми и равномерными ветрами. Поэтому для них выбираются как правило равнинные местности, поля, пустыни, вершины холмов или предгорьев, открытая береговая линия или просторы морских заливов.

На земле ветряки устанавливают стационарно монтируя установку в землю, в море  ее монтируют в площадку, которая в свою очередь фиксируется к морскому дну.

На ветровые ресурсы влияет рельеф земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 м. В связи с этим планирование места под ВЭУ должно проводиться более тщательно, чем скажем при монтаже солнечной системы. 

Как правило, этот процесс выполняет специалисты компании-производителя.

В связи с большими размерами частей промышленного ветряка его по частям доставляют к месту установки на грузовых автомобилях и с помощью кранов монтируют в предварительно приготовленную площадку.

Площадка представляет собой стабилизирующую, тяжелую и очень прочную основу, которую полностью вкапывают в толщу земли.

В это основание вставляют электрооборудование и стержень ветряка. Затем, как правило, прикрепляют ротор с лопастями. Все коммуникации от ветряков, как правило, прокладываются под землей вплоть до общей сети электроснабжения, либо до зданий потребителей энергии. 

Установка в море требует больших затрат и усилий из-за сложности доставки частей по морю, подготовки тяжелого основания, прикрепленного к морскому дну и прокладки коммуникаций по морскому дну. 

В среднем, обычно установка ветровой станции происходит из расчета 1-5 ветряков в неделю на земле и 1 ветряк в неделю в море.

Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность.

Эта величина указывает, сколько кВт·ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке.

Так, 500 кВт-ная ВЭУ произведет 500 кВт· ч энергии за час работы при скорости ветра 15 м/сек (максимально необходимая скорость ветра).

Обычно 600 кВт-ная машина в год производит около 500 тыс. кВт· ч при средней скорости ветра 4,5 м /сек.

При скорости ветра 9 м/сек она выработает до 2 000 000 кВт·ч в год.

Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 600 кВт) на среднюю годовую скорость ветра.

Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности (КПД) для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке.

КПД — это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года.

Например, если 600 кВт-ная турбина вырабатывает 2 млн. кВт в год, расчет ее КПД выглядит следующим образом: 2 000 000:(365,25·24· 600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38%.

Теоретически значение КПД может варьироваться от 0 до 100%, но практически он располагается в пределах от 20 до 70% и чаще всего КПД равен 25-30%.

Обычно в ветрофермах (ветрогенераторных станциях) используются крупные ветроагрегаты мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт и выше.

При этом общая мощность ветрофермы может достигать десятков и сотен мегаватт.

В штате Калифорния (США), например, за счет использования ветроферм производится столько электроэнергии, что ее хватает для удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как Сан-Франциско, в течение года.

Ветровые энергостанции прежде всего выгодны в своей долгосрочной перспективе, особенно на фоне экологических проблем, удорожания энергоресурса из невозобнавляемых источников и дорогого подключения к традиционной электросети.

Средний возраст износоустойчивости современного ветряка — 25 лет.

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют $1,2-$1,4 тыс. на 1 кВт установленной мощности.

Себестоимость энергии — 3,5-7 центов за 1 кВт/ч (10 лет назад было 16 центов).

При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС.

Мировая ветроэнергетика вышла на самостоятельную прибыль и существует без каких-либо дотаций, но при активном госрегулировании.

Ведущие европейские компании выпускают серийно ветродвигатели мощностью 660, 850, 1,8 тыс. и 2 тыс. кВт, предназначенные для работы на энергосеть.

Только датская фирма "Vestas Danich Wind Technology" с начала 1980-х годов установила около 11 тыс. ВЭС по всему миру.

Несколько лет назад появились ветроустановки мегаваттной мощности с размахом лопастей 90 м и более.

По прогнозам самолетостроительного концерна Boeing, в наступившем десятилетии будут созданы ветроагрегаты мощностью 7 МВт (сегодня самые крупные из них вдвое слабее).

Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5-7 лет, системы «ветро-дизель» — за 2 года.

В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться.

Россия обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт/ч электроэнергии в год, поэтому работа больших и малых ВЭС на огромных российских пространствах могла бы быть высокоэффективна.

Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам.

Среднегодовая скорость ветра на высоте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с., притом, что «золотым» порогом ветроэнергетике считается скорость ветра 5 м/с (это связано с окупаемостью станций).

Но, несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков.

Основная причина — отсутствие инвестиций и законодательной базы.

Что касается цен, то разрыв между российскими и западными ветряками очевиден.

Ветроустановка мощностью 5 кВт российской сборки стоит 12,5 тыс. евро. Зарубежная, с учетом доставки и таможенного оформления, — уже больше 40–60 тыс. евро.

Департамент Энергетики США (DoE) финансирует разработки и испытания ветрогенераторов мощностью 5-8 МВт как для наземного использования, так и для установке в море.

Норвежская компания Hydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины.

Hydro планирует запустить демонстрационную версию мощностью 3 МВт в ближайшем будущем. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала аппарат легче воздуха с установленным на нём ветрогенератором.

Аппарат поднимается на высоту 120-300 м.

Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Он может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает новую очень эффективную конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра.

Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 г. объявил о готовности финансирования строительства особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

В мае 2009 г. в Германии был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне компании Advanced Tower Systems (ATS).

Нижняя часть башни высотой 76,5 м построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 м построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 м.

Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20%.

РЕЛЬЕФ ЗЕМЛИ

На ветровые ресурсы влияет рельеф земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 м.

СЕЗОННЫЕ ФАКТОРЫ

Энергия ветра также подчинена сезонным изменениям погоды: более эффективная работа ВЭУ зимой и менее — в летние жаркие месяцы.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Количество энергии, произведенной за счет ветра, зависит от плотности воздуха, от площади, охваченной лопастями ветротурбины при вращении, а также от куба скорости ветра.

При нормальном атмосферном давлении и при температуре 15ºС плотность воздуха составляет 1,225 кг/м3.

Однако с увеличением влажности плотность воздуха слегка уменьшается. Из-за того, что зимой воздух более плотный, ветрогенератор будет вырабатывать зимой больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра.

ВЫСОТА ВЕТРОВЫХ ПОТОКОВ

Очень важным фактором, влияющим на производительность ВЭУ, является ее месторасположение.

Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому большинство ВЭУ имеют высокие башни.

Чем выше турбина относительно вершин соседних препятствий, тем меньше они заслоняют ветер. Однако, в некоторых случаях влияние препятствий может ощущаться на расстоянии от земли, в пять раз превышающем их высоту.

Если препятствие выше всего лишь на половину высоты ВЭУ, то определить его влияние трудно из-за сложной геометрии взаимодействия с ветром.

МАТЕРИАЛЫ ВЕТРЯКА

Существуют ограничения по пределу прочности некоторых материалов, используемых в конструкции башни, поэтому высота большинства башен ограничена приблизительно до 30 м.

На ветростанциях ВЭУ устанавливаются на расстоянии, равном от 5 до 15 диаметров ротора. Это необходимо для того, чтобы избежать взаимного влияния турбулентности, возникающей на лопастях соседних ВЭУ.

СКОРОСТЬ ВЕТРА

Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ВЭУ может преобразовать в электроэнергию.

Большая скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ВЭУ. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра.

Таким образом, например, если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в 8 раз.

Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и скорость ветра. Конструкция ВЭУ рассчитана для работы при скорости ветра в диапазоне 3 — 30 м/сек.

Более высокая скорость ветра может разрушить ВЭУ, поэтому большие ВЭУ оснащены тормозами.

СДВИГ ВЕТРА

В промышленности также существует такое понятие как сдвиг ветра. Оно описывает процесс уменьшения скорости вихревых потоков по мере их приближения к поверхности земли.

Сдвиг ветра также необходимо учитывать во время проектирования ВЭУ.

Так, если ветротурбина имеет большой диаметр ротора, но высота ее башни незначительна, то в результате ветер, воздействующий на конец лопасти, находящейся в верхней позиции, будет иметь максимальную скорость, а ветровой поток, воздействующий на конец лопасти, находящейся внизу, будет минимальным, что может привести к разрушению ВЭУ.

ШУМ

Законы, принятые в Англии и некоторых странах Европы, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.

ВИЗУАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры.

Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.

СОПРИЧАСТНЫЙ ДЕВЕЛОПМЕНТ ТЕРРИТОРИЙ ПОД ВЕТРОФЕРМЫ

Турбины занимают только 1% от всей территории ветряной фермы.

На 99% площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания, Нидерланды, Германия.

Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни.

Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3 тыс.–$5 тыс. в год.

РЕМОНТ И ОБСЛУЖИВАНИЕ

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.

СЕТЕВАЯ ИНФРАСТРУКТУРА

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

ЭКОНОМИКА

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии.

Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе.

Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности энергонагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации.

Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме, а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки.

Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Параграф находится в стадии разработки

Параграф находится в стадии разработки

Параграф находится в стадии разработки

http://www.abercade.ru

http://ru.wikipedia.org

Копирайтеры: Манжула Кирилл, Прохорова Оксана