Ветроэнергетика

oooevna.ru

В октябре 2021 года мир охватил очередной топливно-энергетический кризис. Рекордный рост цен на углеводороды – природный газ и уголь – поставил на колени экономику целого ряда стран Европы, Азии, а также Америку. А это значит, что вопросы развития альтернативных видов энергетики, использующей возобновляемые источники, всё больше и больше выходят на первый план.

Одним из перспективнейших направлений здесь выступает ветроэнергетика – отрасль, занятая преобразованием энергии движения ветра (воздушных масс) в любой вид энергии, пригодный для использования в мировом экономическом хозяйстве. Это может быть:

  • электричество, вырабатываемое ветрогенераторами (в рамках ветроэнергетических установок – ВЭУ);
  • тепло, производимое джоулевыми мешалками или водяными тормозами, представляющими собой изолированные от утечек тепла сосуды, внутри которых располагается крыльчатка и теплоноситель, передающий тепловую энергию потребителям;
  • механическая энергия вращения ветряной мельницы или поступательное перемещение судна с помощью паруса.

История использования ветровой энергии насчитывает не одно тысячелетие, в течение которых с её помощью транспортировались на значительные расстояния по водным маршрутам грузы и пассажиры, а также перемалывалось на муку зерно. Причиной этого стали достаточная простота и надёжность конструкций, улавливающих воздушные потоки, а также возможность беспрерывного возобновления самой ветровой энергии, генерирующейся под непрерывным воздействием солнца.

Однако с началом повсеместного освоения электричества на смену чисто механическим конструкциям и агрегатам всё больше приходят ветряные электростанции (ВЭС). Первые образцы начали свою работу в конце XIX-го – начале XX-го веков. Дальнейшей развитие традиционной электроэнергетики на время (начиная с 40-ых по 70-ые годы прошлого столетия) приостановило бурный рост ветроэнергетики вследствие повсеместного распространения систем транспортировки и распределения электрической энергии. Но после целого ряда известных событий – нефтяного кризиса 1973 года, аварий на Чернобыле и Фукусиме, антироссийских санкции – интерес к отрасли резко возрос.

Факты, свидетельствующие о большой роли ветроэнергетических установок в мировом энергетическом балансе:

  • 2014 год. 85 государств осуществляют деятельность в области ветровой энергетики на коммерческой основе.
  • 2015 год. В сфере ветроэнергетики задействовано свыше 1 млн персонала: из них – 0,5 млн в КНР и 0,138 млн – в Германии.
  • 2019 год. Все установленные в мире ветрогенераторы суммарной мощностью в 651 ГВт производят 1430 ТВт•ч электрической энергии. В Дании на долю ВЭС приходится 48% вырабатываемого электричества, в Ирландии – 33%, в Португалии – 27%, в Германии – 26%, в Великобритании – 22%, в Испании – 21%, в странах ЕЭС – 15%.
  • 2020 год. Установлено новых мощностей на 53% больше, чем в предыдущем году, из них 75% пришлось на США и Китай – лидеров мировой ветроэнергетики.

Современная ветряная электростанция представляет собой связанный воедино комплекс ветрогенераторов, количество которых может превышать 100 единиц оборудования. По способу установки на местности ВЭС подразделяются на 6 видов:

  • Наземные установки – самые распространённые, но не самые эффективные, так как монтируется на небольших возвышенностях и холмах.
  • Прибрежные станции – устанавливаются на побережье с целью наиболее плодотворного использования дневного и ночного бриза, дующего с морской или океанической поверхности и в обратном направлении.
  • Шельфовые ветровые станции, которые располагаются в нескольких десятках километров от берега. Это позволяет им не занимать сухопутную территорию, избегать вредного воздействия на населённые и промышленные объекты, а также в значительной степени повышать коэффициент использования установленной мощности за счёт регулярного воздействия ветров на поверхности значительных водных пространств.
  • Плавающие ВЭС – отличаются повышенной мобильностью, обеспечивающей как возможность поиска наиболее мощных в энергетическом отношении воздушных потоков, так и необходимость электроснабжения мест, не имеющих иных источников электроэнергии.
  • Парящие станции, начало которым было положено инженером из СССР Егоровым, размещаются высоко над земной поверхностью с целью улавливания стойких и сильных ветровых потоков воздуха.
  • Горные ВЭС – заслужили своё название благодаря установке в высокогорной местности, что обеспечивает им ряд преимуществ по сравнению со станциями других видов расположения.

Действующая сегодня классификация ветрогенераторов подразделяет их на ряд типов:

  • Установки вертикальные (карусельного типа), в свою очередь представленные генераторами с ротором Дарье и с ротором Савоуниса; с геликоидным, многолопастным и ортогональным ротором.
  • Крыльчатые горизонтальные генераторы, созданные по типу парусника и летающие ветрогенераторы-крылья.

В связи с актуальностью использования движения воздушных масс в энергетических целях, многие страны мира (сейчас таковых насчитывается 19, но количество их постоянно возрастает), проведя необходимые исследования, располагают специальными картами ветров. Это значительно облегчает проектирование ветряных электрических станций.

Одного этого, безусловно, недостаточно. Прежде чем принять решение о строительстве ВЭС, необходимо провести обширные инженерные изыскания. Также нужно выполнить расчёты потребного уровня затрат, включающие в себя:

  • приобретение необходимого оборудования, в состав которого входят мачта, генератор, лопасти, анемометр, аккумуляторные батареи, устройство автоматического ввода резерва, трансформатор;
  • транспортировку установки на место;
  • монтаж;
  • пуско-наладочные работы;
  • расходы на эксплуатацию.

Затем вычисляются предполагаемая мощность и производительность станции. На основании полученных данных оценивается ожидаемая прибыль и принимается окончательное решение о строительстве сооружения.

Опыт российской альтернативной энергетики показывает нецелесообразность применения ветроэнергетических установок, предназначенных для генерации электрической энергии, используемой в бытовых нуждах. Причиной этого являются существенные затраты на приобретение инвертора (преобразователя электрического тока от ветрогенератора в электрический ток стандартных сетевых параметров), аккумуляторных батарей и дизель-генератора, в 2-3 раза увеличивающие первоначальные расходы. Кроме того, у потребителей почти всегда имеется возможность получения значительно более дешёвой энергии.

Гораздо более выгодной представляется схема прямого преобразования выработанной ветроэнергетической установки мощности в тепло с помощью джоулевых мешалок, ТЭНов (трубчатых электронагревателей) или тепловых насосов, что позволяет отапливать помещения и производить столь необходимую в хозяйственных нуждах тёплую воду. Это позволяет в значительной степени упросить и удешевить конечную конструкцию и производить непритязательную в отношении бесперебойности и качества тепловую энергию, столь необходимую в холодное время года на территории нашей страны.

К июню 2021 года суммарная мощность действующих ВЭС Единой энергетической системы (ЕЭС) РФ составляла 1378 МВт, что позволило произвести на них в 2020 году 1384 млн КВт•ч электроэнергии. Сегодня в списке ветряных электрических станции России находятся:

  • 27 действующих ВЭС включённых в ЕЭС общей установленной мощностью, составляющей 1482,925 МВт;
  • 7 действующих изолированных ВЭС суммарной мощностью в 9,125 МВт;
  • 17 проектируемых и строящихся ВЭС общей мощностью в 2656,97 МВт.

По оценкам специалистов, ветровая энергия нашей планеты по своему потенциалу в 100 раз превосходит гидроэнергию, которую можно получить от всех рек Земли. Вот почему Дания половину собственных потребностей в электрической энергии удовлетворяет за счёт ветряных электростанций. Также в этом отношении наибольшую активность проявляют США, Китай и ряд стран Европейского Союза – Германия, Франция, Испания. Большие планы в отношении строительства ВЭС имеют Индия и Венесуэла.

До недавнего времени самым мощным ветрогенератором в мире считался Enercon E-216 производительностью в 7,58 МВт. Однако совсем недавно китайские специалисты заявили о создании гиганта в 16 МВт мощности, готового производить до 80 000 МВт•ч электрической энергии ежегодно. Неудивительно, что Китай также занимает первую строчку в списке самых крупных мировых электростанций (данные 2014 года):

  • Комплекс «Ганьсу» – 7965 МВт. Китай. Год ввода в эксплуатацию – 2009.
  • Электростанция «Муппандал» – 1500 МВт. Индия. 2011 год.
  • ВЭС «Джайсалмер» – 1064 МВт. Индия. 2001 год.
  • ВЭС «Альта» – 1020 МВт. США. 2010 год.
  • ВЭС «Шефердс Флэт» – 845 МВт. США. 2012 год.

При нынешнем уровне технического развития создание 1 КВт установленной мощности ВЭУ обходится в 1000 долларов США. Кроме того, не следует забывать о нестабильности работы ветряных установок и необходимости согласования параметров вырабатываемой электроэнергии с сетевыми параметрами. Это требует содержания значительного количества электротехнического оборудования.

Всё это приводит к тому, что стоимость ветряной электрической энергии значительно превышает стоимость энергии, произведённой традиционными способами. Также проблема усугубляется рядом негативных воздействий на человека и окружающую природу: производимым шумом, мерцанием лопастей, электромагнитными помехами, вращательным движением механизмов, приводящим к гибели птиц и летающих животных. Эти весьма серьёзные проблемы оказывают сдерживающее влияние на развитие всей системы ветроэнергетики.

Однако существуют и преимущества, вызвавшие в 2020 году установку 93 ГВт новых ветроэнергетических мощностей. К числу несомненных достоинств ветряных станций относятся:

  • отсутствие необходимости специальной подготовки территории для выполнения монтажных работ;
  • простота, лёгкость и дешевизна обслуживания;
  • возможность недалёкого размещения от потребителей;
  • незначительность воздействия на окружающую среду – отсутствие выбросов и загрязнений;
  • повсеместность и бесплатность источника энергии;
  • удобство использования межстанционных территорий в хозяйственных целях.

При нивелировании возникающих проблем, а также в случае отсутствия иных генерирующих возможностей ветроэнергетика способна решить насущные проблемы потребителей, обеспечив последних собственными источниками электрической энергии, делая при этом их энергонезависимыми.