Ветроэнергия - технология применения потов воздуха для производства электрической энергии - представляет собой самый быстрорастущий во всем мире источник электрической энергии. [1] Ветроэнергия производится массивными многолопастными ветротурбинами, монтируемых на самом верху высоких башен и работающими подобно вентиляторам, но в обратном порядке. Вместо того чтобы использовать электроэнергию для получения воздушного потока, турбины используют ветер для получения электричества.
Автономная ветроэнергетика в современных условиях российской действительности – это направление развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в развитии которых так нуждается Россия. Огромная территория Российской федерации с численностью населения более 9 млн. человек не имеет централизованного электроснабжения. Использование предлагаемых технологий позволит снизить не менее чем 50 % потребление органического топлива на дизельных электростанциях. Внедрение таких технологий могло бы значительно снизить энергонапряженность, наблюдаемую в таких районах, как Приморский край, Сахалинская область, Камчатский край, Чукотский автономный округ. [13]
В общих чертах, устройство ветроэлектростанции выглядит следующим образом. Поток воздуха вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт 1 миллиону ватт) электроэнергии. Для электроснабжения жилых комплексов, телекоммуникационных станций и в водяных насосов в качестве источника энергии применяются компактные одиночные ветряные турбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных и труднодоступных районов, в которых отсутствует связь с энергосистемой общего пользования. [2]
В ветровых установках группы турбин связаны вместе, с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством ЛЭП и распределительных линий.
Так и в нашем обсуждаемом вопросе о ветре. Если бы он дул постоянно с определённой силой и направлением, без порывов и остановок, - была бы идеальная ветроэлектростанция. Рассмотрим светлые и тёмные стороны характеристики этих сооружений.
Несомненные достоинства:
Такие электростанции по своей конструкции просты и понятны;
Получаем почти бесплатную электроэнергию;
Ветроэлектростанция экологически чистая и бесшумная;
Не требуется много проводов для доставки электроэнергии к месту потребления;
Совершенно безвредная установка для сохранения природного баланса;
Незаменимы в тех районах, где нельзя обеспечить доставку энергии обычным способом.
И досадные недостатки:
Ветер непостоянен и генератор работает неравномерно;
В любой момент, обычно самый неподходящий, может быть прекращена подача энергии;
Мощность ветряной электростанции используется не полностью;
Часто простаивает из-за отсутствия движения воздуха;
Ветроэлектростанции России не могут стать основой для энергопромышленности.
Для размещения ВЭС требуются большие, открытые всем ветрам, территории.
При всём кажущемся балансе плюсов и минусов, перевес всё же заметен в сторону ветряков. Их в России никак нельзя игнорировать.
Современные энергетические и коммунальные компании с целью стабильной работы систем энергообеспечения предпочитают в качестве основного источника выработки тока применять большие ветрогенераторные установки. По этой причине разработчики таких устройств, приложили много усилий, благодаря которым ветряки стали соответствовать не только техническим, но эстетическим и экономическим требованиям заказчиков. [5]
Отметим безопасность мегаватного ВЭУ. Ветрогенератор 1.5 МВатт на 690 Вольт с тремя лопастями и диаметром ветроколеса 70-87 метров относится к устройствам мегаваттного класса. Он был создан с учётом:
· применения всех существующих в настоящее время европейских норм и стандартов проектирования;
· использования строго контроля за качеством в процессе производства;
· норм, ограничивающих возможный шумовой уровень, который в процессе работы такого ВЭУ составляет в пределах 70db.
Полный вес турбины равен 61.500 килограммам. В случае приобретения этой ветряной электростанции в России, она способна будет вырабатывать электрический ток при условии полной безопасности для жизни и здоровью животных и людей. При помощи применения системы обеспечения безопасности возможна автоматическая молния и бурезащита. Такой ветряк не будет создавать помех вредных для работы бытовых устройств и электроприборов. В связи с этим нет необходимости в получении разрешения на его установку и эксплуатацию.
Работа ветряного генератора заключается в следующем. Он функционирует при средней скорости ветра, равной 13.5 м/сек. Если скорость увеличивается более 25 метров в секунду, то в этом случае срабатывают тормозящие лопасти. При скорости ветра меньшей 3,5 м/сек, такая ветровая установка электроэнергию не вырабатывает, потому что её лопасти крутиться не могут. Энергообеспечение строений электричеством в этом случае будет осуществляться при помощи накопленной во время работы мощных аккумуляторов энергии. [11]
Кроме того, такие мега ВЭУ оснащены:
· необходимыми датчиками, при помощи которых осуществляется регулировка скорости и направления движения ветра;
· системой, позволяющей изменить углы установленных лопастей;
· системой управления, которая способна работать при помощи микропроцессоров через сеть компьютеров;
· системой, при помощи которой осуществляется принудительный поворот лопастей в сторону ветра.
Применение в процессе производства таких ВЭУ высококачественных материалов позволяет таким ветряным электростанциям в России проработать по гарантии не менее 5-ти лет и минимум двадцать пять лет в любых условиях.
После установки мега ветрогенератор на 1.5 МВатт на 690 Вольт сможет ежегодно вырабатывать в пределах восьми миллионов кВт-часов электроэнергии при средней скорости ветра более девяти метров в секунду.
За последнее время объемы отрасли по производству электрической энергии из ветра возросли, благодаря проведению правительством политики поддержки этой индустрии и работе, проводимой исследователями в рамках программы МЭ по энергии ветра, в сотрудничестве с партнерами в этой отрасли с целью создания инновационных и менее дорогостоящих технологий, создания внутренней конкуренции и выявлению новых сфер применения энергии ветра. [9]
Рассмотрим различия между ветровой фермой или ветровой электростанцией и тепловыми электростанциями:
Вид используемого топлива. Тепловые электростанции работают на ископаемом топливе типа угля, также в качестве горючего применяется нефть. На атомных электростанциях применяют ядерное топливо, например, уран и торий. Все эти виды горючего очень дорогостоящие, и расходуются в огромных количествах каждый день. Ветровым электростанциям не требуется какого-либо горючего. Они используют доступный в большом количестве и бесплатный атмосферный ветер.
Способ выработки электроэнергии. На тепловых и атомных электростанциях в больших бойлерах топливо превращает воду в пар. Пар в турбинах расширяется, заставляя их вырабатывать электричество. На ветровых фермах устанавливаются ветровые турбины, содержащие вентиляторы. Ветер приводит в движение лопасти вентиляторов, что приводит к вращению вала. Вал направляет свой импульс к другому валу посредством редуктора. Выходной вал редуктора с большой скоростью вращается в генераторе, который производит электричество. На ветровых электростанциях нет нужды в дорогих бойлерах и топливе. Энергия производится за счет ветра. [3]
Ветер - это возобновляемая энергия. На тепловых электростанциях постоянно требуется свежее ископаемое топливо для производства пара. Использованное ископаемое топливо превращается в пепел и гарь, которые нельзя применить повторно. Ветер в ветровых электростанциях - возобновляемый источник энергии. Ветер, который приводит в движение лопасти вентиляторов, возвращается обратно в атмосферу и может быть использован для производства энергии повторно.
Размер электростанции. Тепловые электростанции оправдывают себя только при больших размерах. Ветроэлектростанции подходят как для производства малого, так и большого количества энергии. Чтобы увеличить мощность ветроэлектростанции, достаточно лишь добавить больше ветровых турбин. Увеличение мощности тепловой электростанции - очень недешевое предприятие. По сути, отдельные ветровые турбины можно установить в доме или офисе для выполнения ими своих задач. Но сложно себе представить тепловую электростанцию для бытовых нужд. Можно установить у себя дома ветровую турбину, но никак не тепловую или атомную электростанцию.
Стоимость произведенной энергии. В настоящее время стоимость электричества, произведенного ветряными фермами, составляет 5-10 центов на единицу электричества (один киловатт-час), что немного выше, чем стоимость энергии, вырабатываемой на обычных заводах. Постоянный рост цен на традиционное топливо для ТЭС и снижение себестоимости производства ветрогенераторов привет к тому, что процент электроэнергии полученной при помощи потоков воздуха резко увеличится. [12]
Загрязнение окружающей среды. Одной из главных причин загрязнения атмосферы в наши дни является выброс частиц и гари в результате сжигания ископаемого топлива на тепловых электростанциях. Ежедневно на них сжигаются тонны топлива, что способствует загрязнению окружающей среды в крупных масштабах. Ветер, используемый ветровыми турбинами, - природное топливо, которое не оказывает никакого влияния на окружающую среду, поэтому ветровые электростанции являются безвредным источником энергии. [8]
Хотелось бы вспомнить о конструкции ветрогенератора. Ротор (лопасти ветряной электростанции) - преобразует энергию ветра в энергию вращения. Большинство современных роторов ветровых турбин состоит из трех лопастей.
· Современные лопасти ветряных электростанций в диапазоне 30 метров в длину, как правило, изготовлены из армированного стекловолокном полиэстера или древесно-эпоксидной смолы. Скорость вращения лопастей от 12 до 24 оборотов в минуту на низкой скорости.
· Редуктор повышает скорость вращения вала с низкой скорости (приблизительно от 12 до 24 оборотов в минуту) до высокой скорости вращения (примерно 1000 - 3000 оборотов в минуту), и приводит в движение генератор. Некоторые современные ветряки имеют генератор, подключенный напрямую к лопастям.
· Генератор использует магнитные поля, чтобы преобразовать результирующую вращательную энергию в электрическую энергию.
· Анемометр и флюгер расположены на задней стороне корпуса ветровой турбины и измеряют скорость ветра. Собранная информация используется системой управления для того, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии. Данные скорости ветра также используются для контроля работы и позволяют операционной системе начинать и останавливать турбину. Современная ветряная электростанция начинает вырабатывать энергию при скорости ветра от 4 м / с, и, выключается при скорости около 25 м / с. Механизм рыскания поворачивает ротор в преобладающее направление ветра.
· Башня ветрогенератора изготавливается из стальных труб, хотя решетчатые башни до сих пор используются в некоторых странах. Башни для современных ветровых электростанций бывают высотой от 60 метров до 100 метров.
· Трансформатор преобразует напряжение, которое требуется для электрической сети. Трансформатор может быть встроен в башню или расположен у основания башни.
Строительство ветряной электростанции производится следующим путем. Строительство ветряной электростанции может занять от 4 месяцев постройки одной башни ветрогенератора, до 2 лет - большой электростанции, состоящей из 20 и более турбин.
Расчётный срок работы ветрогенератора определен как 20-25 лет. Затем ветрогенераторы или меняются на новые или демонтируются полностью вся установка. Причем в прогрессивных странах демонтаж происходит самым тщательным образом - устраняются все следы человеческого вмешательства в природу, место установки через несколько лет полностью сливается с ландшафтом. [6]
Строительство ветряной электростанции включает следующие этапы:
· Временная строительная площадка - размером примерно 50 х 50 м.
· Из железобетона заливается фундамент ветряной башни. Бетонированная площадка (в том числе для стоянки автотранспорта), прилегающая к турбине - обеспечивает стабильную основу, на которой держится сама башня генератора.
· Здание контроля и управления - площадь примерно 6м х 6м, здание строится для размещения электрических распределительных устройств, приборов учета и т.д.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии пользуются огромной популярностью во всем мире. Стоит отметить, что крупнейшая интернет компания Google, также использует для своего оборудования энергию ветровых электростанций. В Австралии, США, Канаде, Европе энергия воздушных потоков используется на благо цивилизации. Страны, имеющие возможность устанавливать ветрогенераторы, наращивают потенциал ветровой энергии, возможно, что в Европе и Северной Америке в ближайшем будущем основным источником энергии станет сила ветра (сейчас этот показатель составляет от 20 до 40 %). [10]
Ветроэнергетика сохраняет лидирующие позиции в отрасли, по итогам 2009 года ее доля в секторе альтернативной энергетики составила 44%. В 2011 году были введены в эксплуатацию около 41 ГВт новых мощностей, в результате чего совокупная мощность ветряных электростанций в мире увеличилась на 21% и составила 238 ГВт. В настоящее время ветровые энергетические установки инсталлированы в 75 странах мира. Страны - лидеры по развитию ветроэнергетики: Китай (в 2011 году введено в эксплуатацию 62 ГВт мощностей), США, Индия, страны ЕС, Канада. В России за прошлый год было установлено около 6 ГВт генерирующих мощностей. На территории нашей страны в основном используются промышленные ветряные установки. С развитием отрасли появились новые интересные модели ветряных электростанций для дома, а также для группы частных домов. [4]
В каких случаях покупка ветрогенератора в России является экономически выгодным решением?
Рассматривать вопрос о приобретении ветроэнергетической установки целесообразно только тогда, когда средняя скорость ветра в вашем регионе составляет не менее 4 м/c.
Покупка ветряной электростанции для дома - оптимальное решение, если на объекте отсутствует централизованная подача электроэнергии, а стоимость проведения линий электропередач к жилому дому является неоправданно высокой.
Для коттеджных поселков, удаленных от центрального электроснабжения, возможен вариант использования ветроэнергетической установки повышенной мощности, которая сможет удовлетворять энергетические потребности сразу для группы домов.
Также приобретение ветрогенератора оправданно для дачных участков при отсутствии центральных источников энергоснабжения
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что сегодня ветроэнергетика переживает новое рождение, т.к. наука не стоит на месте. Ограниченный запас традиционного топлива и возрастающие потребности в энергии создают почву для поиска альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Как один из вариантов решения этой задачи является энергия ветра.
Благодаря тому, что Россия имеет огромную территорию и разные климатические зоны, развитию ветроэнергетики способствует большой технический потенциал. Из - за большого расстояния между населенными пунктами больше половины территории в России не имеют централизованного электроснабжения. Как вариант решения этой задачи можно рассматривать ветроэнергетику, перспективы развития которой большие. Возможно, в будущем Россия займет лидирующее положение по переработке энергии ветра.
Список литературы:
1. http://1gw.blogspot.com/2008/07/blog-post_1989.html
2. http://www.wetroenergetika.ru/index.php
3. Global Wind Installations Boom, Up 31 % in 2009
4. World Wind Energy Report 2010 (PDF).
5. «Wind Energy Update» (PDF). Wind Engineering: 191–200.
6. Impact of Wind Power Generation in Ireland on the Operation of Conventional Plant and the Economic Implications. eirgrid.com (February 2004).
7. Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF).
8. Claverton-Energy.com (2009-08-28)
9. Алексеев Б.А. Международная конференция по ветроэнергетике / Электрические станции. 1996. №2.
10. Безруких П.П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики / Энергия: Экон., техн., экол. 1995. №8.
11. Богуславский Э.И., Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Условия эффективности и комплексного использования геотермальной солнечной и ветровой энергии // Международный симпозиум “Топливно-энергетические ресурсы России и др. стран СНГ". Санкт-Петербург, 1995.
12. Соболь Я.Г. "Ветроэнергетика" в условиях рынка (1992-1995 гг.) / Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.
13. Перспективы развития ветроэнергетики в России. Салопихин Д.А., Омельченко Д.П., Чебанов К.А. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2016. № 11-12. С. 50-54.
