Альтернативные источники: энергия ветра, плюсы и минусы. Энергия ветра: использование Можно ли исчерпать запасы ветровой энергии

Чтобы пользоваться энергией ветра, потребуются такие детали :

• ветряные лопасти – захватывают поток ветра, передавая импульс ветрогенератору;
• ветрогенератор и контроллер – способствуют преобразованию импульса в постоянный ток;
• аккумулятор – накапливает энергию;
• инвертор – помогает преобразовывать постоянный ток в переменный.

Ветрогенератор – устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую, а затем в электрическую. По количеству вырабатываемой электроэнергии такие устройства делятся на большие, мощностью более 100 кВт, и малые, мощностью менее 100 кВт.

Большие, мощностью до нескольких мегаватт, используются в качестве единичных элементов ветровых электростанций, которые передают энергию в магистральные электросети для большого числа потребителей. Размещаются ветровые электростанции на берегах морей, крупных водоёмов и в пустынных местностях. Обязательным атрибутом при их развёртывании является инфраструктура для передачи энергии в линии электропередач.

Отдельные малые ветрогенераторы, о которых пойдёт речь в этой статье, нашли применение для электроснабжения частных домов и автономных объектов различного назначения – телекоммуникационных вышек, уличного освещения, элементов систем управления дорожным движением. Устанавливаются они рядом с объектом и нередко дополняются или дизель-генератором.

Принцип работы

Ветрогенератор представляет собой комплекс из нескольких устройств:

Принцип работы устройства состоит в том, что напор (давление) ветра вращает ветроколесо, которое передаёт вращение на ротор генератора. Ротор генератора возбуждает переменный ток в обмотках статора генератора, который поступает на контроллер. Контроллер этот ток преобразует в постоянный и им заряжает аккумулятор.

Все потребители получают энергию от аккумулятора через инвертор (220 В) или напрямую (12, 24, 48 В – в зависимости от числа батарей). Напрямую энергия ветряка не передаётся потребителям, что связано с нестабильностью параметров получаемого им тока.

Типы ветряных электростанций

Существуют следующие критерии для классификации ветряных электростанций:

1. Количество лопастей. Ветродвигатели с числом лопастей до 4 именуются малолопастными и быстроходными. С количеством лопастей от 4 и более многолопастными и тихоходными. Деление по этому критерию обусловлено тем, что чем меньше число лопастей, тем, при прочих равных условиях, ветродвигатель имеет большее число оборотов.
2. Номинальная мощность. Критерий достаточно условен, но применяется следующая градация: до 15 кВт бытовые (для частных домов, портативные), 15-100 кВт полупромышленные (для небольших ферм, магазинов, насосных станций), 100 квт- единицы МВт промышленные – предназначены для генерации энергии, используемой большим количеством потребителей.
3. Направление оси вращения. Этот критерий является самым основным, так как влияет на основные характеристики ветряка:
   • С горизонтальной осью вращения. Чаще всего двух или трёхлопастные, быстроходные. К достоинствам таких устройств относятся: быстроходность, а значит более простой генератор; высокий коэффициент использования энергии ветра и, как следствие, более высокий КПД; простота конструкции. К недостаткам относят: высокий уровень шума, необходимость высокой мачты для установки.
   • С вертикальной осью вращения. Известно много разновидностей по конструктивному исполнению – ветрогенераторы Савониуса, роторы Дарье, геликоидный ротор, многолопастные ветрогенераторы. По мнению автора статьи достоинства всех таких конструкций, весьма сомнительны. Эти устройства имеют сложную конструкцию, требуют сложного генератора, имеют низкий коэффициент использования энергии ветра (0,18-0,2 против 0,42 у горизонтальных). К достоинствам относят малый уровень шума, возможность установки на небольшой высоте.

Вопрос выбора

При выборе устройства необходимо ответить на следующие вопросы:

• Необходимая мощность в кВт. Требуется оценить суммарное потребление в месяц и по этому критерию выбирать электростанцию;
• Производитель оборудования. Необходимо чтобы продукция была сертифицирована для использования на территории РФ, тогда можно быть уверенным, что характеристики прибора соответствуют национальным нормам по уровню шума и электромагнитным помехам. Обратите внимание на срок гарантии и срок службы прибора, он должен быть не менее 15 лет. Узнайте о сервисном обслуживании и гарантийном ремонте оборудования. Не будет лишним узнать отзывы о производителе и продавце от других пользователей.
• Требуемое место для установки ветряка. Исходите из ваших реальных возможностей. Если есть возможность для установки высокой мачты с горизонтальным типом устройства, то отдайте ему предпочтение. В противном случае рассмотрите вариант конструкции с вертикальной осью вращения.
• Цена. Не всегда лучше то, что дороже. Здесь, как и везде, можно переплачивать за бренд или за возможности, совершенно вам ненужные. Чётко определите свои требования к устройству, не заказывайте ненужных компонентов.

Установка

При установке следует помнить, что в РФ нет запрета на установку ветровых электростанций мощностью ниже 75 кВт и налогами они не облагаются. Но всё же нелишним будет ознакомиться с нормативными актами по установке и использованию таких устройств для каждой конкретной местности.

На что стоит обратить внимание:

• Допустимая высота установки мачты;
• Наличие линий электропередач вблизи предполагаемого места установки;
• Допустимый уровень шума в децибелах;
• Наличие эфирных помех от работающей электростанции.

Допустимая высота регламентируется местными нормативными актами, а вот размещать мачту вблизи линий электропередач нельзя.

Для двух последних пунктов необходимо взять данные из технических характеристик электростанции. У сертифицированных в РФ поставщиков и производителей, данные характеристики соответствуют местному законодательству.

Неплохим шагом будет получение согласия на установку от соседей и обслуживающей территорию организации, при её наличии. Согласие необходимо получить в письменном виде.

Когда все формальности утрясены необходимо определить конкретное место установки мачты. Следует учесть, что эффективность будет выше, если поблизости нет деревьев, высоких домов и мачта стоит на возвышении. Выбирать место установки следует так, чтобы близлежащие строения и деревья не находились перед ветряком. Неправильным будет и располагать мачту на холме, перед обрывом.

Устанавливать мачту необходимо в строгом соответствии с инструкциями производителя. При необходимости следует привлечь квалифицированных специалистов и спецтехнику.

Стоимость

На рынке доступны ветровые электростанции для дома мощностью от 0,4 кВт до 75 кВт различных производителей. Разброс цен на устройства одной и той же мощности достаточно велик.

Рассмотрим таблицу:

В чём же дело? А дело в том, что производители часто указывают цену только за часть необходимого комплекта оборудования. Рассмотрим для примера продаваемый компанией Энергосток ветряк на 2 кВт. На сайте значится цена 57600 руб., но зайдём в детальное описание товара.

А там есть цена полного комплекта оборудования: ветрогенератор, контроллер, инвертор, АКБ, мачта. И цена полного комплекта составит 176800 рублей. Отсюда вывод – обязательно уточняйте цену за весь комплект!

Средние цены на генераторы российского и китайского производства следующие: 1 кВт 100-120 т.р., 3 кВт – 200 т.р., 5кВт – 300 т.р., 10 кВт от полумиллиона, а мощные устройства 20 и более кВт будут стоить более миллиона рублей. Если покупать оборудование западного производителя или США, то цены будут выше на 20-30%.

Ветряные электростанции своими руками

Если вы собрались изготовить ветрогенератор, то стоит обратить внимание на ресурсы Сети, которые предполагают 2 подхода: первый заключается в том, чтобы собирать все элементы своими руками, а второй предполагает покупку готовых комплектующих.

При сборке наибольшую трудность вызывает изготовление ветроколеса. Изготовить лопасти для конструкции с горизонтальной осью вращения с требуемыми аэродинамическими характеристиками непросто. Здесь два выхода: или платить за изготовление мастерской с необходимыми инструментами и опытом, либо смотреть в сторону конструкции с вертикальной осью вращения, для которой лопасти можно изготовить из обычной бочки.

Генератор можно приобрести подержанный, использовать двигатель стиральной машины или промышленного . Существует большой выбор готовых генераторов и комплектующих для их сборки на основе ниодимовых магнитов.

Изготовление мачты - это очень ответственный этап, ведь от него зависит безопасность эксплуатации всей конструкции. Отнестись к нему нужно тщательно, доверив расчёты прочности конструкции специалисту.

Контроллеры, инверторы и аккумуляторные батареи лучше приобрести готовые.

Устанавливать или нет

При решении вопроса целесообразности установки ветряной электростанции нужно получить следующие исходные данные:

Алгоритм оценки окупаемости ветряка следующий:

• По карте ветров и техническим характеристикам устройства определить вырабатываемую мощность для летнего и зимнего периодов или помесячно. Например, для рассмотренного выше устройства номиналом 2 кВт, вырабатываемая мощность при скорости 5 м/с составит 400 Вт;
• По полученным данным определить годовую генерируемую мощность;
• По стоимости киловатт-часа определить цену сгенерированной электроэнергии;
• Поделить стоимость комплекта ветрогенератора на полученную цифру и получится окупаемость в годах.

Для внесения поправок в расчёт следует учитывать:

• Аккумуляторные батареи придётся менять не реже одного раза в три года;
• Срок службы современного ветрогенератора 20 лет;
• Необходимо обслуживать устройство. Стоимость и сроки обслуживания необходимо уточнить у продавца оборудования;
• Стоимость киловатт-часа растёт каждый год, за предыдущие 10 лет она увеличилась более чем в 3 раза. На 2017 запланирован рост тарифов минимум на 4%, так что можно исходить из этой цифры удорожания электроэнергии.

Если полученные цифры окупаемости не устраивают, но заиметь альтернативный источник энергии хочется или нет возможности подключения к централизованному электроснабжению, то следует рассмотреть варианты повышения эффективности ветряка и снижения затрат на его монтаж и обслуживание.

Возможны следующие варианты:

• Установка нескольких устройств меньшей мощности вместо одного большого. Это снизит цену основного оборудования, уменьшит затраты на установку и обслуживание, а также повысит производительность за счёт того, что малые ветряки имеют больший КПД при низких скоростях ветра;
• Установка специальной сетевой системы управления электроэнергией , совмещённой с центральной системой электроснабжения. Такие устройства сегодня можно найти в продаже.

• для электроснабжения даже большого частного дома достаточно мощности 10 кВт;
• оцените возможности электростанции по генерации электроэнергии в вашей местности;
• выбирайте правильное место установки ветрогенератора;
• контролируйте комплектность покупаемого оборудования;
• используйте пути повышения скорости окупаемости оборудования;
• если дорого покупать – сделай сам, это не так сложно.

В материале собраны ответы на наиболее задаваемые вопросы о ветроэнергетике. А именно рассматриваются вопросы: что собой представляет ветроэнергетика, каким образом и сколько можно отобрать энергии от набегающего ветрового потока, конструкции ветроустановок, а также затрагивется тема ветроэнергетики в России.

Поводом для написания данного материала послужили несколько обсуждений в Интернете, где, с одной стороны наблюдался живейший практический интерес участников ресурсов к теме ветроэнергетики, а с другой многие участники распространяли мифы и демонстрировали бытующие заблуждения относительно ветроэнергетики. В нижеизложенном материале, автор надеется ответить на некоторые, наиболее часто задаваемые вопросы и развеять мифы и заблуждения, сопровождающие ветроэнергетику. Материал рассчитан на широкую аудиторию читателей, имеющих элементарные знания по физике и математике.

Изучив материал, читатель не станет высококлассным специалистом в области ветроэнергетики, однако получит начальные знания в этой области, позволяющие свободно владеть основами ветроэнергетики. Читатель узнает о наиболее крупных ветроэлектрических станциях России и их основных характеристиках. Материал изложен по принципу всё о ветроэнергетике в связи со всем (окружающей средой, потребителем и т. п.)

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Энергия ветрового потока относится к возобновляемым источникам энергии и является производной от энергии солнца.

Ветроэнергетика, в широком понимании является древнейшей спутницей человека. Первые свидетельства об использовании энергии ветрового потока для перемола зерна восходят к 200 году до н.э. Становление современной цивилизации в привычном нам виде тоже происходило с участием ветроэнергетики – парусное судно, которое является частным случаем ветроэнергетической установки позволило освоить весь земной шар.

Не смотря на это, современная ветроэнергетика является одной из самых динамично развивающихся отраслей энергетики. В период с 2000 г. до 2009 г. суммарная мощность всех ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире увеличилось в, приблизительно 6 раз и составила порядка 160 ГВт, а по прогнозам World Wind Energy Association (WWEA) к 2020 году может составить 2000 ГВт. При чём, растут как количество ветроэлектрических станций (ВЭС), так и установленная мощность ВЭУ.

Динамика роста единичной мощности ВЭУ и её габаритов

Ветровой поток как ресурс ветроэнергетики

В глобальном масштабе ветровой поток является движением воздушных масс относительно земли, возникающий в атмосфере под действием разности давлений в различных областях. Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию ветрового потока, т. е. энергию воздушной массы плотностью ρ, кг/м3, имеющей скорость V, м/с:

Зная, что масса 1 м3 воздушного потока, имеющего плотность ρ кг/м3 текущего со скорость V м/с составляет ρ∙V видоизменим формулу:

Так, помня, что плотность воздуха ρ при нормальных условиях 1,225 кг/м3 ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение, площадью 1 м2 обладает энергией ≈ 40 Вт.
Подробнее остановимся на скорости ветрового потока V. Из формулы видно, как сильно значение скорости ветрового потока влияет на мощность (третья степень). На практике это означает, что ошибка в скорости ветрового потока на 10% повлечёт за собой 30% ошибку в мощности, а, следовательно и в выработке энергии. Сюда же добавим непостоянство ветра, давно ставшее притчей во языцех.

Таким образом, важно понимать, что для достоверной оценки потенциальных возможностей применения ветроэнергетики в том или ином месте, необходимо иметь данные ветрового режима в данном месте. Под «местом» здесь можно понимать достаточно большие площади (иногда целые регионы). И если располагать данными о ветровом режиме, собранными на метеостанции, расположенной в нескольких десятках километрах от места, то такие данные можно считать репрезентативными, т. е. достоверными для нашего места.

Ещё одной особенностью ветрового потока, усложняющей определение достоверного значения скорости является его непрерывный и случайный характер. Строго говоря нет никакой возможности точно предсказать какое значение V будет через несколько секунд. Поэтому в ветроэнергетике принято считать, что скорость ветрового потока состоит из двух составляющих – осреднённой и пульсационной. Если в ветроэнергетических расчётах используется скорость ветрового потока V=4 м/c на практике это означает, что реальная скорость ветрового потока в любой момент времени будет колебаться вокруг некоторого значения, близкого к 4 м/c.

И, наконец, если говорить о скорости ветрового потока и месте, то нельзя не отметить, что на значение скорости V будут оказывать существенное влияние местные условия, такие как рельеф, препятствия и «шероховатость» поверхности. Рассматривая ветровой поток в приземном слое (до 200 м над поверхностью земли) как ресурс ветроэнергетики необходимо учитывать, что данные ближайшей метеостанции должны быть применены с учётом местных условий.

Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался строптивый, не постоянный и существенно подверженный «дурному влиянию» местных условий.

И всё-таки ветроэнергетика

Несмотря на вышеописанные сложности с достоверным определением главного ресурса ветроэнергетики – скорости ветрового потока V мировая ветроэнергетика за 10 последних лет в разы увеличила свои мощности.

Это можно объяснить несколькими факторами. С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, что называется «на коленке» посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации. При этом не надо опасаться, что прогнозируемая выработка будет сильно отличаться от реальной, будь проект вашей ВЭС реализован. Ещё и 3D в google earth как это будет выглядеть покажет.

Законодателями в этой области компьютерного моделирования стали программы WAsP и WindPro.

В качестве исходной информации по значениям скорости ветрового потока уже давно нет необходимости (хотя и хорошо бы) иметь многолетние наблюдения за скоростью ветра. Для всех крупных регионов уже давно построены вероятностные характеристики, с большой степенью точности показывающие вероятность присутствия того или иного значения скорости ветрового потока. В мировой практике для этого используется двухпараметрическая зависимость Вейбулла.

Кривая вероятности присутствия скорости ветра по градациям

То есть значение скорости ветрового потока V сопровождается вероятностью её присутствия f(V) и вышеприведённая формула определения удельной мощности ветрового потока принимает вид:

ВЭС являются экологически чистыми станциями. Точнее, надо сказать так: ВЭС оказывают принципиально иной спектр воздействия на окружающую среду, нежели традиционные энергоустановки. Для промышленных масштабов производства электроэнергии необходимо занять большие площади – из расчёта примерно 400 м2 на 1 кВт мощности. Это связано с тем, что для нормальной работы всех ВЭУ в составе ВЭС необходимо выдержать некоторые расстояния как между самими ВЭУ (5÷15 диаметров ветроколеса в зависимости от направленности розы ветров) так и между ВЭУ и крупными местными препятствиями. Однако следует отметить, что непосредственно под ВЭУ в составе ВЭС места нужно исходя из размера подъездных дорог и размера фундамента в плане, т.е. не так много, а площади, непосредственно прилегающие к ВЭУ можно задействовать, например для нужд животноводства (пастбища) или растениеводства.

6-ть ВЭУ 2,5 МВт крупнейшей в северо-западном регионе Дании ВЭС

Ещё одной стороной влияния ВЭС на окружающую среду является визуальное восприятие ВЭУ. Здесь есть как субъективность – на вкус и цвет, как говорится, а есть и объективность – попадая на линию солнце-наблюдатель ВЭУ может существенно раздражать органы зрения мелькающими тенями.

Электромагнитные помехи легко устраняются при учёте определенных норм в ходе проектирования ВЭС. Сильный акустический шум у современных ВЭУ присутствует только в непосредственной близости к работающей ВЭУ. Так в 100 м от работающей ВЭУ 2,0 МВт уровень шума составляет 40Дб. Влияние на фауну (убивают птиц) так же присутствует, но в гораздо меньших масштабах, чем может показаться. Так, под колёсам и на лобовых стёклах автомобилей птиц в мире гибнет на порядки больше чем на лопастях ВЭУ.

И, пожалуй, самой главной причиной активного роста мирового интереса к возобновляющимся источникам энергии в общем и к ветроэнергетике в частности является желание частичного и постепенного замещения мощностей традиционной энергетики, основанной на сжигании углеводородов. Так, например в Дании доля ветроэнергетики в энергосистеме страны составляет ~20%, и там есть регионы, в которых относительный баланс выработанной и потреблённой электроэнергии покрывается за счёт ветроэнергетики.

Конструкции ветроэнергетических установок

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Оставив в стороне от рассмотрения экзотические конструкции ВК, дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

1. Использующие подъёмную силу;
2. Использующие силу сопротивления.

К ВЭУ, использующим силу сопротивление X можно отнести, например парус.
ВЭУ использующие подъёмную силу Y преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y) значительно больше скорость ветрового потока V. Но об этом чуть ниже.

Прямоугольник аэродинамических сил действующих на крыло

Они, в свою очередь могут быть классифицированы по:

1. ориентации оси вращения ВК;
2. положению ВК относительно всей конструкции.

Различают ВЭС с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Вертикально осевые ВЭУ обладают рядом достоинств, основным из которых является отсутствие необходимости ориентировать ВК на ветер. Однако минусы данных установок гораздо существеннее: необходим начальный момент страгивания (стартовое внешнее усилие для раскрутки ВК), невозможность использования ветрового потока верхних слоёв (до 100 м), сложный комплекс силовых проблем. Поэтому в мировой ветроэнергетике горизонтальноосевые ВЭУ башенного типа преобладают над вертикальноосевыми в соотношении 98 к 2.

Для дальнейшего понимания “кухни” ВЭУ необходимо ввести два важнейших параметра, относящихся к конструкции ВК: коэффициент использования мощности и быстроходность ВК (коэффициент быстроходности).

Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593. Коэффициент использования мощности часто ошибочно сравнивают с КПД ВК. Это сравнение ошибочно по той простой причине, что ВК, в отличие от, например рабочего колеса паровой турбины использует далеко не весь ветровой поток, приходящийся на его площадь. Часть ветрового потока огибает ВК, в то время как в паровой турбине пару просто некуда деваться. Поэтому, говоря о паровой турбине имеем дело с КПД, а в случае ВК – коэффициенте использования мощности. Таким образом введя понятие коэффициента использований мощности ВК ξ можем рассчитать мощность любой ВЭУ по формуле:

где ξ – коэффициент использования мощности, S – так называемая ометаемая площадь ВК (для горизонтальноосевых ВЭУ – π∙R^2).

Максимальное значение ξ составляет 0,593 для идеального ВК. Для реальных современных ξ лежит в диапазоне 0,38…0,48

Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93

Быстроходность ВК Z определяется как отношение линейной скорости конца лопасти Vл к скорости ветрового потока V.

Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ от быстроходности ВК Ζ: 1 – идеальное ВК; 2,3 и 4 – двух-, трех- и много-лопастные горизонтальноосевые ВК; 5 – ротор Дарье (вертикальноориентированное ВК, использующее подъёмную силу); 6 – ротор Савониуса (вертикальноориентированное ВК, использующее силу сопротивления); 7 – четырехлопастное деревянное ВК мельницы.

Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п. Однако быстроходность всё равно остаётся определяющим понятием для выбора типа ВЭУ.

Теперь, оперируя этими двумя важными параметрами и глядя на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. Взгляните на график. ВК использующие подъёмную силу имеют бОльший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение Z с ξ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение Z с ξ , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком Z может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса.

С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из колодца – вспомните голливудские вестерны, где на заднем плане маячит высоко поднятая на столбах ёмкость с водой, а рядом с ней ветряк – используются многолопастные ВЭУ. При неплохом ξ он имеет крайне низкий Z, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.

Экономика ветроэнергетики

Стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~1000$ (для сравнения в 80-е годы это было ~4000$). Стоимость 1кВт ч электроэнергии, выработанной установки составляет ~0,10$ (для сравнения в те же 80-е это было ~0,40$). Учитывая дороговизну, как самой установки, так и выработанной с её помощью электроэнергии можно сделать совершенно однозначный вывод: без поддержки государства ветроэнергетика в современном её состоянии обречена на коммерческий провал. Это подтверждают все страны, где ветроэнергетика датируется из государственных средств. Это усугубляется ещё и тем, что ни одна электрическая система в здравом уме не захочет брать электроэнергию, выработанную с помощью ВЭС. Дело в том, что ВЭУ вырабатывают некачественную энергию (см. выше рассуждения о частоте тока). Требуется комплекс достаточно серьёзного оборудования для исправления данной ситуации. Глядя на пульт мониторинга, показывающий выработку конкретной ВЭУ диву даёшься тому, что видишь. ВЭУ, подключенная в сеть при нестабильных или низких ветрах не только иногда даёт но и иногда ПОТРЕБЛЯЕТ электроэнергию из энергосистемы для поддержания собственной частоты вращения генератора. Это ад для любой электросистемы. Поэтому в той же Дании опытным путём пришли к выводу, что ветроэнергетика не должна превышать ~20% мощности всей их электросистемы. Выше этой цифры ветроэнергетика становится откровенно вредна для электросистемы страны.

Но даже для датируемой государством ветроэнергетики существует критический для коммерческого внедрения параметра – коэффициент использования установленной мощности (именно на него опирается срок окупаемости ВЭС). Его ещё часто дублируют числом часов использования. Данный параметр показывает какую долю (или сколько часов) от суммарного числа часов в году (8760 ч.) ВЭС будет вырабатывать электроэнергию. Если этот параметр слишком низкий <20% то срок окупаемости такой ВЭС будет измеряться десятилетиями. Для коммерческого успеха ВЭС коэффициент использования установленной мощности должен быть как можно выше. Так, например вышеупомянутая датская ВЭС имеет это параметр близким к 0,56, т. е. более половины количества часов в году она приносит прибыль своему владельцу.

Ветроэнергетика в России

По данным на 2005 год установленная мощность крупных ВЭС в России составляла около 13 МВт. Самой мощной на тот момент считалась ВЭС в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка - в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании. Её суммарная мощность составляет 5,1 МВт.

Табл. 1 Технико-экономические показатели работы ВЭС в 2005 году (по данным ФСГС Росстата)

Обратите внимание на ужасные, с коммерческой точки зрения показатели числа часов использования.

Ещё одна ВЭС, которая обязательно будет построена к саммиту АТЭС 2012 года это Дальневосточная ВЭС мощностью ~36 МВт. Таким образом ДВ ВЭС станет самой крупной у нас в стране. Есть, правда у ООО «Русгидро» планы к 2015 году построить Волгоградскую ВЭС мощность 1 ГВт, но это пока только планы.
Вот некоторые предполагаемые характеристики ДВ ВЭС:
Местонахождение: о. Русский и о. Попова, Приморский край;
Средняя многолетняя скорость ветра 5,7 м/с;
Максимальная наблюденная скорость ветра 39 м/с;
Преобладающее направление ветра: северное;
Установленная мощность ветроэлектрической станции: ~36 000 кВт;
Единичная мощность ветроэнергетической установки: ~2 000 кВт;
Количество ветроэнергетических установок: 16…18;

Табл. 2 Модели предполагаемых ВЭУ

Фундамент: монолитный железобетонный, круглый мелкого заложения;
Диаметр: на скальных грунтах 20,4 м, на нескальных – 25,8 м;
Глубина заложения: на скальных грунтах 1,5 м, на нескальных – 2 м;
Годовая выработка: ~88 500 МВт×ч;
Коэффициент использования установленной мощности: 0,27;
Число часов использования: 2340;
Капитальные вложения ~2 800 000 тыс. руб.;
Удельные капитальные вложения: ~74 тыс. руб./кВт×ч;
Себестоимость электроэнергии: 1,80 руб./кВт×ч;
Показатели эффективности при тарифе на электроэнергию 7,5 руб/кВт×ч:
Простой срок окупаемости 5,5 лет;
Дисконтированный срок окупаемости 8,5 лет;
Чистый дисконтированный доход 1 560 000 тыс. руб;
Индекс доходности 0,56;
Внутренняя норма доходности 17,5 %

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С одной стороны ветроэнергетику стали интенсивно внедрять в электросистемы не от хорошей жизни. С другой стороны сложно придумать более доступный и неисчерпаемый источник энергии, которым грех не воспользоваться. Для нашей страны ветроэнергетика весьма актуальна по той простой причине, что существует огромное количество сёл и деревень без централизованного электроснабжения. Однако важно понимать, что сама по себе ветроустановка не решает проблемы электроснабжения в целом. Сама установка это лишь видимая часть айсберга. К ветроустановке необходимо огромное количество оборудования для повышения качества электроэнергии, оборудования для резервирования и дублирования. Вообще, если говорить о перспективах ветроэнергетики, то автору материала они видятся в её комплексном использовании с другими ВИЭ. Так, например Волгоградская ВЭС планируется к работе не «сама по себе», а в комплексе с Волгоградской ГЭС в качестве гидроаккумулятора. Грубо говоря, ветер будет экономить воду водохранилища.

Гидроаккумулятор в Миссури (Taum Sauk)

Конечно в данном материале «за скобками» осталось огромное количество специфических вопросов по ветроэнергетике. Но, на взгляд автора уже написанного должно хватить, что бы качественно оценить сильные и слабые стороны применения ветроэнергетики.

Ветроэнергетика – это направление альтернативной энергетики, основанной на использовании возобновляемого источника энергии, которым является ветер. Кроме этого, в соответствии с состоянием развития на текущий момент и количеством производимой энергии, ветроэнергетика является отдельной отраслью производства различных видов энергии, таких как: электрическая, механическая, тепловая и т. д. Во всех случаях первичным источником служит кинетическая энергия ветра, путем использования различных механизмов, преобразуемая в требуемый вид энергии.

Ветроэнергетика в России

С начала ХХ века, с постепенным внедрением электричества в повседневную жизнь человека, использование ветровых установок было одним из способов получения электрической энергии. В разные годы эта отрасль переживала взлеты и падения, вызванные состоянием экономики страны, успехами в развитии технических устройств и потребностью в источниках энергии.

Россия — это большая страна, и благодаря своей значительной площади, а также расположением в различных географических и климатических зонах, обладает огромным потенциалом использования ветровой энергии. По данным экспертов, потенциал оценивается в более, чем в 50000 млрд.кВт.час электрической энергии в год, что может составлять до 30% производимой электроэнергии энергосистемой страны.

Возможность использования энергии ветра, в различных регионах, можно оценить, посмотрев на карту ветровых зон:

Из приведенной карты видно, что потенциально, использование ветровых установок, возможно на значительной территории страны. Наиболее благоприятные районы, это: прибрежные территории северных, Черного, Каспийского и Азовского морей, полуостров Камчатка, остов Сахалин, внутренняя территория страны от Волги и Дона, до Карелии, Алтая и Тувы.

В настоящее время развитию ветроэнергетики уделяется повышенной внимание, поэтому в последние годы, наблюдается динамика роста по вводу в эксплуатации энергетических мощностей, что видно из приведенной ниже диаграммы:

Использование ветровых генераторов, в разных регионах страны, получило неравномерное распространение, что обусловлено наличием определенных погодных условий, различных технических и финансовых возможностей регионов, а также потребностью в электрической энергии.

Так присутствие ветроэнергетических компаний в различных регионах выглядит следующим образом:

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций составляет более 75,0 МВт, наиболее крупные это:

Расположенные в Крыму:

• Донузлавская ВЭС, мощность установленных генераторов составляет 18,7 МВт;

1. Останинская ВЭС, мощность установленных генераторов составляет 26,0 МВт;
2. Тарханкутская ВЭС, мощность установленных генераторов составляет 15,9 МВт;
3. Восточно-Крымская ВЭС, мощность установленных генераторов составляет 2,8 МВт.

• В Калининградской области, Зеленоградская ВЭУ, мощность установленных генераторов составляет 5,1 МВт;
• На Чукотке, Анадырская ВЭС, мощность установленных генераторов составляет 2,5 МВт;
• В Республике Башкортостан, ВЭС «Тюпкильды», мощность установленных генераторов составляет 2,2 МВт;
• В республике Калмыкия, ВЭС компании ООО «АЛТЭН», мощность установленных генераторов составляет 2,4 МВт;
• В Мурманской области, ветродизельная электростанция, на мысе Сеть-Наволок, мощность установленных генераторов составляет 0,1 МВт;
• На острове Беринга Командорских островов, ВЭС, мощностью установленных генераторов 1,2 МВт.

В различной стадии строительства, подготовки исходных данных и разработки технической документации, находятся следующие станции:

• Заполярная ВДЭС (3,0 МВт) и Новиковская ВЭС (10,0 МВт) в Республике Коми;
• Ленинградская ВЭС (75,0 МВт), в Ленинградской области;
• Ейская ВЭС (72,0 МВт), Анапская ВЭС (5,0 МВт) и Новороссийская ВЭС (5,0 МВт), в Краснодарском крае;
• Морская ВЭС (50,0 МВт), в Калининградской области;
• Морская ВЭС (30,0 МВт) и Валаамская ВЭС (4,0 МВт) в Республике Карелия;
• Приморская ВЭС (30,0 МВт), в Приморском крае;
• Магаданская ВЭС (30,0 МВт), в Магаданской области;
• Чуйская ВЭС (24,0 МВт), в Республике Алтай;
• Усть-Камчатская ВДЭС (16,0 МВт), в Камчатской области;
• Дагестанская ВЭС (6,0 МВт), в Дагестане;
• Приютненская ВЭС (51,0 МВт), в Республике Калмыкия.

Государство уделяет внимание на развитие альтернативных источников энергии, принимаются программы по поддержке и стимулирования этой отрасли энергетики на федеральном и региональных уровнях.
В стране появляются новые организации, которые занимаются ветроэнергетикой, создаются отечественные образцы ветровых установок различной мощности и конструкций.

Ветроэнергетика в Мире

Технически развитые страны также не обходят своим вниманием альтернативные источники энергии. За последние годы, доля ветроэнергетики, в общем количестве вырабатываемой электрической энергии, в разных странах, на разных континентах, постоянно увеличивается, что видно на приведенной ниже диаграмме:

В странах Европы, Китае и США, правительства уделяют большое внимание этой отрасли энергетики. Предприятия, работающие в данной сфере, получают различные льготы, им оказывается финансовая помощь.

Лидером, среди европейских стран, по использованию ветровых установок, является Германия, за ней идет Испания и Дания. Распределение мощностей, в процентном соотношении, среди стран, приведено на ниже следующей диаграмме.

В настоящее время, наиболее крупные ветровые установки, работают в странах Европы, это:

1. В Германии:
   Ветряные электростанции Германии производят более 8,0 % от всей произведённой электроэнергии. Установленная мощность ветровых генераторов превышает 45000,0 МВт.
2. В Испании:
   Ветроэнергетика в Испании широко распространена как в частном секторе, так и при промышленном производстве электрической энергии. Доля производимого электричества ветровыми генераторами составляет более 20% от общего количества производимой электрической энергии.
3. В Дании:
   Дания является первопроходцем, в деле использования энергии ветра для получения электрической энергии в промышленных масштабах. История ветроэнергетики этой страны начиналась в 70-х годах ХХ века, и по настоящее время, Дания является лидером по производству ветровых генераторов и их комплектующих.
   Ветроэнергетика Дании производит более 40% электрической энергии в общей доле производимого электричества в стране.

Если посмотреть на карту ветряных электростанций Европы, составленная агентством SETIS при Еврокомиссии, приведенную ниже, то отчетливо видно, что Германия является несомненным лидером из европейских стран, по количеству ветровых генераторов (места установки помечены синими кружками).
Из смонтированных в Европе, наиболее крупной является ветряная ферма Уитли (Whitelee). Она смонтирована в Шотландии и состоит из 140 турбин.

В прочих государствах нашей планеты использование ветровых установок выглядит следующим образом:

• В США:
  В этой стране, ветроэнергетика как отрасль, развивается довольно быстро. Установленная мощность ветровых генераторов составляет более 75,0 ГВт. В общей доле вырабатываемой электрической энергии, доля ветроэнергетики составляет более 5,0 %.

Ветровые электростанции построены в 34 штатах, из наиболее энергоемкие, это в таких штатах как:

1. Техас – установленная мощность ветровых генераторов более 14000,00 МВт;
2. Калифорния и Айова — установленная мощность ветровых генераторов более 5000,00 МВт;
3. Оклахома, Иллинойс, Орегон, Вашингтон, Миннесота — установленная мощность ветровых генераторов более 3000,00 МВт;
4. Канзас и Колорадо — установленная мощность ветровых генераторов более 2000,00 МВт.
5. Наиболее крупная станция Сан Горгонио Пасс, расположена в Калифорнии, способна вырабатывать более 600,0 МВ электрической энергии, в ее состав входит 3218 турбин.
   Построено более 50 заводов по производству ветровых установок и их комплектующих.

Перспективы развития

Принимая во внимание, что традиционные источники энергии имеют свойство заканчиваться, а их использование приводит к загрязнению атмосферы планеты, то все большее количество стран, принимают внутренние и межгосударственные соглашения о защите экологии и контролю за потреблением энергоресурсов. В развитие этой тенденции, использование возобновляемых источников энергии, к тому же являющихся экологическими чистыми, является очень актуальным.

Для стимулирования развития отрасли, в ряде стран разработаны направления деятельности, в этой области энергетики, это:

1. Развитие морских ветропарков;
2. Мотивация населения и промышленности в установке ветровых генераторов;
3. Наращивание процента ветровой энергетики в общем энергопотреблении.

В связи с этим, развитие ветроэнергетики, как источника альтернативной энергии, постоянно продолжается и будет иметь тенденцию к ускорению этого процесса. Ярким примером таких разработок являются плавающие и парящие ветровые генераторы.

Плавающие ветровые генераторы – монтируются вдали от берега, на глубине 100 и более метров. Первые подобные устройства, были смонтированы в 2007 году, в Норвегии. В связи с тем, сто на поверхности моря всегда, за редким исключением бывает полный штиль, присутствует движение воздушных масс, то КПД установок смонтированных подобных образом, выше, чем у монтируемых на поверхности земли.

Парящие ветровые генераторы – представляют из себя надувную сферу, наполненную гелием, и турбины, расположенной по центру устройства.
К тому же конструкторы и разработчики не останавливаются на достигнутом, работы продолжаются в постоянном режиме.

Плюсы и минусы

К достоинствам, использования ветровых установок можно отнести следующие:

• Это неисчерпаемый, возобновляемый самой природой, источник энергии, потому как пока светит солнце, будет и движение воздушных потоков, которые и являются первичной силой, благодаря которой, производится электрическая энергия.
• Производство энергии при помощи воздушных масс, это экологически чистый процесс, не наносящий вреда окружающей среде.
• Строительство объектов ветроэнергетики – это непродолжительное по времени мероприятие, поэтому быстрый монтаж ветровых установок, определяет относительно невысокую стоимость монтажных работ, в сравнении со строительством прочих объектов энергетики.

К недостаткам ветроэнергетики относятся:

• КПД установок, в своей работе использующих энергию ветра, зависит от географического месторасположения, погодных условий, сезона и времени суток. Этот недостаток определяет возможность использования ветровых генераторов в том либо ином регионе планеты.
• При устройстве генерирующих установок большой мощности, требуются значительные земельный участки, которые приходится выводить из общего оборота земель.
• Потребность в начальных значительных затратах, наличие которых подразумевает инвестирование данной отрасли, на начальном этапе развития.
• Потенциальная опасность для птиц и прочих летающих организмов.

Наличие отрицательных качеств, которыми обладает ветроэнергетика, не может перевесить количество положительных. С уверенностью можно констатировать, что такая область энергетики, как ветроэнергетика, будет развиваться и в дальнейшем.