Ветроэнергетика

Ветроэнергетика

          Ветроэнергетика—отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности Солнца.

Ветроэнергетика – это  самая быстроразвивающаяся отрасль  мировой электроэнергетики. В 2011 году в мире был зарегистрирован самый  высокий за всю историю уровень  ввода в эксплуатацию ветроэнергетических  установок (ВЭУ) – более 42 ГВт (Таблица 1).

 

 

Таблица 1. Прогноз развития ветроэнергетики и ее составляющая в мировой энергетике

Года	Установленная мощность ВЭУ, МВт	Доля выработанной электроэнергии (ЭЭ), %	Сокращение выбросов СО2 , связанные с выработкой ЭЭ, %
2008	122000	1,5	2,2
2013	350000	3,35	4,3
2018	820000	8	11,0

            Планы, принятые в рамках Глобального международного проекта Wind Force: производство 12% электроэнергии в мире к 2020 году, выполняются с существенным опережением. Например, в Дании вырабатывается около 20% от всей вырабатываемой в стране электроэнергии посредством ВЭУ. К 2050 году планируется довести долю ветровой энергии в производстве электроэнергии в Дании до 50%.Такой стремительный рост мировой ветроэнергетики в основном обусловлен: источником энергии (возобновляемый); непрерывно снижающимися удельной стоимостью ВЭУ (СУД) и средней себестоимостью вырабатываемой ими электроэнергии (СЭЭ) (Таблица 2). Начиная с 2004 года, намечается рост ценовых показателей, что обусловлено падением стоимости валюты США.

Таблица 2. Динамика ценовых  показателей ВЭУ

Год	1981	1985	1989	1994	2000	2004	2008
СЭЭ	38	18	8	5	4	3.8	4
СУД	4000	2640	1520	1100	950	900	1300

В 2011 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 % , в Испании — 16 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.                                              

           Ветровая энергия является одним из возобновляемых источников энергии, который может представлять интерес с точки зрения альтернативных вариантов энергоснабжения. Для преобразования энергии ветра в электрическую энергию применяют ветроэлектрические установки (ВЭУ).            Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.           

 

История использования  энергии ветра

 

 

 

 

 

 

                   

 

 

          Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцами. «Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле»(К. Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).

          Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — 1526г., Глочестер — 1542 г., Лондон — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра. В Росии в середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л. с., 8 л. с. до 45 л. с. Такая установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор.Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт⋅ч/год.Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт⋅ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России. Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период — период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири.Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.Cамая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SЕАS Energi Service A.S.В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объём реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).

 

Принципиальная  схема ВЭУ

 

 

 

Рисунок 5.Принципиальная схема ВЭУ [1]

 

 

 

Компоненты установки:

•     Ротор

•     Редуктор 

•     Опора

•     Фундамент

•     Блок управления

•     Генератор

Чаще всего применяются  ветровые установки с горизонтальной осью, реже – с вертикальной. 

 

Ротор-преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр размаха лопастей ротора колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно в ВЭУ, соединенных с сетью, частота вращения ротора постоянна. В автономных системах с выпрямителем и инвертором – обычно частота переменная.

На ветровых установках могут  устанавливаться системы для  изменения угла поворота лопастей ротора. Вал ротора соединяется с генератором  на прямую или через редуктор.

Редуктор - промежуточное звено между ротором и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ротора и обеспечивает согласование с оборотами генератора.

Опора (башня) на которой установлено ветровое колесо. Башня — чаще трубообразная, реже — решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ветроэнергетической установки, в том числе редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор.  

Генератор

В ВЭУ применяют асинхронные  и синхронные генераторы.

Тип генератора зависит от размеров ВЭУ и схемы ее подключения  к потребителю электрической  энергии.

 

 

Современные методы генерации электроэнергии из энергии  ветра

         Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.Воздушные потоки у поверхности земли/моря являются ламинарными — нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.

Мощности ветрогенераторов и их размеры
Параметр	1 МВт	2 МВт	2,3 МВт
Высота мачты	50 м — 60 м	80 м	80 м
Длина лопасти	26 м	37 м	40 м
Диаметр ротора	54 м	76 м	82,4 м
Вес ротора на оси	25 т	52 т	52 т
Полный вес машинного  отделения	40 т	82 т	82,5 т
Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия

          В августе 2002 года компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systemsпостроила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, масса гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения. В 2009 году турбины класса 1,5 — 2,5 МВт занимали 82 % в мировой ветроэнегетике.Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.