Ветроэнергетики

Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энер­гетику обусловлено рядом объективных причин.

Перваяпричина – особенности ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие те­кущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра суще­ственно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика по­казала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4–5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40 % ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океа­нов, Азово–Черноморская и Каспийская зоны.

Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра. Достоинства: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Недостатки: низка плотность энергии, приходящаяся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.

Вторая причина– особенности преобразования энергии вет­ра в электрическую. Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двух– или трехлопастное ветроколесо горизонтально–пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших – десятками метров.

Третьей причиноймедленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вво­димой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные элек­тростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200–250 долл./кВт.

Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:

1) специфические резкопеременные графики нагрузок;

2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;

3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;

4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.

Недостатком ветроэнергетических станций является также изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км² на 1 МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена единицы площади, меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее ее значение – около 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70–200 км², хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400–800 метров.

Наиболее важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду – это акустическое воздействие. Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16–20 Гц) и высокочастотными (до нескольких килогерц). Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовой эффект в непосредственной близости ВЭС достигает 50–80 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно отключать в ночное время.

Современные относительно мощные ВЭУ производятся сейчас в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании, Великобритании. Как правило, они имеют трехлопастные роторы (реже двухлопастные). Установка обычно рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 м/c; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать лопасти и несущая мачта, – 60 м/c. Энергия вращения ротора передается на асинхронный генератор через редуктор и разъемную муфту, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. Хотя лопасти ВЭУ внешне похожи на вертолетные, условия их работы принципиально отличны. Лопастям придается специальная форма с сужением к концу для уменьшения шума от вращающегося ротора, капсула также имеет специальную звукоизоляцию. В результате уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ обычно не превышает 100 дБ.

Весьма перспективную концепцию, названную Windformer, предложила фирма ABB (ныне входящая в концерн ALSTOM). В этой ВЭУ, в отличие от традиционной, вместо обычного асинхронного генератора используется специальный генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, разъемная муфта, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 кВ) преобразуется в постоянный ток. Несколько ВЭУ объединяются в группу (кластер), и энергия от них поступает по кабелям постоянного тока к общему преобразователю, подключенному к сети. Первая такая ВЭУ расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 м и высотой мачты 70 м сооружается в настоящее время в Швеции.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в России в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 сут. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.