Использование энергии ветра: сущность, проблемы использования, перспективы развития в Республике Беларусь

Существуют агрегаты в  виде карусели или же в виде мачты  с системой подвешенных друг над  другом круговых ветроуловителей, с  горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На башне высотой 30,5 м  укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при  скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает  при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.  Так  как наша страна находится в умеренной  ветровой зоне, то нам особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра  в генератор, при планировании ВЭУ. Угол наклона лопастей по отношению  к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. По данному типу спроектирована одна из ВЭС в Беларуси (ВЭУ в Мядельском районе мощностью 250 кВт.  Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии. По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

4. Как хранить энергию ветра?

При использовании ветра  возникает серьезная проблема: избыток  энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок  энергию ветра? Существует несколько  способов сохранения энергии:

· Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

· Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.

· Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Решающим фактором, который  определит, значителен ли будет вклад  ветровой энергии в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность создания соответствующей  технологии. Он связан в основном с  национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких  установок для населения. Разрабатываются  также ветроэнергетические установки  единичной мощностью в диапазоне  от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для  выработки электроэнергии в составе  существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а именно:

· производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;

· использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и кислорода;

· использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;

· использование ветровой энергии для производства сжатого воздуха. Этот подход может найти применение для аэрации прудов при разведении рыб, а также водоемов, испытавших неблагоприятные экологические воздействия.

5. Перспективы использования энергии ветра в агропромышленном комплексе Республики Беларусь

В 1999 году были построены  ветроэлектроустановки на ветреной возвышенности в деревне Дружная (Мядельский район). Эта немецкая ветроустановка мощностью в 250 кВт является первой в Беларуси. Вторая ветроэлектроустановка мощностью в 600 кВт была построена осенью 2001 года; 18-го мая 2002 года состоялось ее торжественное открытие, за 2007 год ими выработано 1,58 млн. кВт∙ч электроэнергии. Коэффициент использования данных установок 25%, что является нормальным показателем. Необходимо отметить, что и сама деревня Дружная является уникальным полигоном экологических технологий строительства. Среди трех десятков построенных здесь комфортных экодомов есть дома из глиносоломенных смесей, дома из щепы с глиной, здесь же находится первое в СНГ строение из соломенных блоков. Самый мощный в РБ фотоэлектрический коллектор находится тоже здесь. Подобную, но меньшую площадку планируют создать в Минске, начав со строительства в 2008 году 2 энергопассивных экодомов, которым не нужны системы отопления за счет супертеплоизоляции стен соломенными блоками и использования солнечных коллекторов для сезонного аккумулирования тепла. Территория республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильность скорости ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5-2,5% ветровой энергии. К зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики, со среднегодовой скоростью ветров выше 5-5,% м/с, относится 20% территории страны. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси и в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней районы с запада. В ближайшее время развитие использование энергии ветра получит новый импульс. К 2010 году Минэнерго планирует ввести в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью не менее 15-20 МВт. В текущем году, согласно плану, планируется также построить ветроустановку в РУП «Гродноэнерго» и ОАО «Гроднохимволокно». В Государственной программе Республики Беларусь прогнозируемые годовые объемы использования энергии ветра для получения электроэнергии к 2012 г. оцениваются в 9,31 млн. кВт∙ч при общей установленной мощности 5,2 МВт. На 1 января 2005 г. общая мощность ВЭУ составила 1,1 МВт, объем замещения по вырабатываемой электроэнергии около 3,25 млн. кВт∙ч в год [7,с. 208]. Всего на территории республики выявлено 2000 площадок (наибольшее количество находится в Минской, Витебской и Гродненской областях), пригодных для размещения ВЭУ промышленного типа, с общей мощностью около 1600 МВт. В Беларуси в соответствии с проектом до 2014 года предлагается ввести всего 10 ветроустановок с общей мощностью 15 МВт. Они позволят суммарно вырабатывать около 44 млн. кВт∙ч электроэнергии в год, окупаемость таких проектов не превысит 14 лет. Согласно расчетам экспертов, ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс. т угля. Кроме того, сокращаются выбросы углекислого газа и других веществ в атмосферу. К тому же, продажа на углеродном рынке объемов сокращения выбросов парниковых газов от предполагаемого ветропарка может принести дополнительный доход в 500 тыс. евро за 5 лет. Учитывая то, что быстроходные ВЭУ в нашей стране неэффективны, так как для них требуется минимальная расчетная скорость ветра не менее 10 м/с; а тихоходные ВЭУ менее технологичны в производстве и сложнее в эксплуатации, в Беларуси разрабатываются ВЭУ, работающие на основе использования эффекта Магнуса, когда в качестве аэродинамических элементов используются не лопастные, а вращающиеся усеченные конусы специальной формы (роторы), подъемная сила в которых многократно (в 6-8 раз) превосходит подъемную силу в лопастях. Главное их преимущество состоит в том, что они могут эффективно работать при скоростях ветра, характерных для условий Беларуси. Взаимодействие цилиндрической лопасти с ветровым потоком показано на рис.2.

Рис.2. Взаимодействие вращающейся лопасти с ветровым потоком: υ_в — вектор скорости ветра; υ_1' υ₂ — относительные скорости обтекания; ω_л — угловая скорость вращения лопасти вокруг своей оси; F_м — сила Магнуса.

Сила Магнуса (F_м), направленная в сторону вращения ветроколеса, указанного на рисунке, возникает из-за разности давлений обтекающего эту лопасть ветрового потока. При вращении цилиндрической лопасти с угловой частотой ω_л относительная скорость обтекания цилиндра воздушным потоком υ' будет меньше аналогичной скорости υ₂, что и является первопричиной возникновения силы F_м.

В нашей республике ведутся  работы по созданию ВЭУ. Отличительная  особенность: они вступают в работу при скорости ветра υ₀ = 3 м/с. Коэффициент использования энергии ветра ветроколесом с цилиндрическими лопастями близок к 0,5. Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения угловой скорости вращения лопастей ω_л. В 1996 г. была создана и испытана экспериментальная ветроустановка ВЭУ-250 [Приложение Б]. Однако освоение производства таких ВЭУ требует дополнительных исследований, создания соответствующих производственных мощностей и финансирования.

Для ряда сельскохозяйственных объектов, удаленных от линии электропередач, газопроводов и других коммуникаций, перспективным является использование  для автономного энергоснабжения  ВЭУ малой мощности, Р_н ≤ 10 кВт. Еще в бывшем СССР было налажено серийное производство маломощных ВЭУ, типа АВЭУ (автоматическая ветроэлектрическая установка)-6-4[Приложение Б], способных обеспечивать в автономном режиме, при наличии аккумуляторной батареи и преобразователя напряжения, потребности в электроэнергии небольшого фермерского хозяйства. Из ВЭУ такого класса представляет интерес установка ВЭУ-2000[Приложение Б], разработанная на основе высоких технологий авиакосмической промышленности и способная автономно обеспечивать электроэнергией небольшие объекты даже в областях с низкими значениями средней скорости ветра. Ёмкость аккумуляторной батареи для подобных автономных установок выбирается из необходимости обеспечения энергоснабжения при отсутствии ветра в течении 2...3 суток. Еще более надежное электроснабжение обеспечивается при дополнении ВЭУ солнечными батареями.

В середине августа 2007 года в СЭЗ (свободная экономическая  зона) «Брест» начала работать первая на Брестчине ветроэнергетическая  установка.

Энергия ветра, преобразованная  в электрическую, используется на автозаправочной  станции, принадлежащей совместному  белорусско-итальянскому предприятию  «БелТрансОйл». СП (совместное предприятие) «БелТрансОйл» в сутки потребляет 30-35 кВт/ч электроэнергии, что обходится  предприятию в течение года в 50 тыс. долларов. Использование ВЭУ  позволит экономить до 10% финансовых средств. Здесь итальянская новинка  воспринимается как экспериментальная. Преследуется цель выяснить, чему равна  скорость ветра на окраине г. Бреста в течение года. Ведь равнинная  местность Брестской области  считается наименее перспективной  для подобных проектов. Но, многолетние  наблюдения показали, что есть зоны, где скорость ветра увеличивается  за счет ветровой тяги. К такой зоне относится и пойма р. Лесная, в  районе которой установлена новая  ВЭУ. Если с ее помощью СП «БелТрансОйл»  это утверждение подтвердится, то руководство предприятия намерено установить еще одну подобную ветровую турбину мощностью 1,2 МВт. Прорабатываются  возможности использования ВЭУ  в других регионах Брестчины. Наиболее привлекателен в этом плане Барановичский район.

В последнее время на Брестчине  все больше внимания обращается на рациональное использование ветровой энергии. Пружанское отделение районных электросетей РУП «Брестэнерго»  приняло решение о возведении ветроэнергетической установки. Специалисты  НПО «Малая энергия» (г. Минск) с ноября 2006 по апрель 2007 года провели мониторинг местности и атмосферных явлений  в районе д. Могилевцы. Они пришли к выводу, что ВЭУ мощностью  в 1 МВт позволит получить 2,5 млн. кВт/ч. Этого достаточно для обеспечения  электроэнергией среднего сельхозпредприятия, что составит 3% от потребляемой энергии  в Пружанском р-не. В июле 2007 года аналогичный мониторинг проведен возле  д. Головчицы. Планируется разработка проектно-сметной документации и  строительство первой на Пружанщине ВЭУ. Она будет установлена на высоте 65 м. Размах ее лопастей – 60 м. Работа установки возможна даже при незначительном ветре – 3,5 м/сек. Оптимальная скорость ветра для производства электроэнергии – 12 м/сек. Во время урагана установка  перестает работать, и включается при снижении его силы. Преимущество ВЭУ в том, что она работает в те часы, когда наблюдается пик  потребления электроэнергии – главным  образом днем и в холодное время  года. Срок окупаемости одной установки - от 3,5 до 6 лет. По подсчетам специалистов, ветряный потенциал Беларуси – 250 млрд. кВт/час в год. Наиболее приемлемыми  регионами по использованию энергии  ветра являются Гродненская и  Минская области. Северные районы Брестчины  тоже считаются подходящими для  строительства ВЭУ, чем и воспользовались  энергетики Пружанского района.То, что энергию ветра можно довольно эффективно использовать в нашей  республике, подтверждают ветроэнергетические  установки, которые действуют на протяжении нескольких лет в Нарочанском  крае. На въезде в д. Занарочь германским благотворительным общественным объединением «Дома вместо Чернобыля» для переселенцев из Чернобыльской зоны были построены  две ВЭУ. На 50-метровой башне установлена  ветровая турбина Nordex мощностью 250 кВт, а на 60-метровой цельнометаллической  опоре – Repower мощностью 600 кВт. Обе установки производят в год около 140 кВт электроэнергии. Ученые ведут постоянное наблюдение за их работой. Анализ данных показывает, что наши показатели ничуть не хуже, а иногда даже лучше зарубежных Ветер нашу республику не обходит стороной. Остается только использовать его бесплатную энергию.

Основным направлением использования  ВЭУ в нашей республике на ближайший  период будет применение их для привода  насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании  с МГЭУ для перекачки воды. Эти  области применения характеризуются  минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет  резко упростить и удешевить  ветроэнергетические установки. Готовится  к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5-8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разрабатывается  и готовится к испытаниям более  мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом.