5.2 Ветровые энергоустановки

Ветроэнергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, тепловой и электрической энергии и определяющая масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Принцип использования ветровой энергии известен и используется человеком очень давно, начиная с ветряных мельниц. Движущийся поток ветра оказывает силовое воздействие на подвижную часть двигателя (рабочее колесо разного вида и конструкции), заставляя его вращаться и передавать полученную энергию другому техническому устройству для совершения полезной и нужной человеку работы (помол зерна, подъем воды из глубины земли, выработка электроэнергии и т.п.).

Кинетическая энергия Экин (Дж) воздушного потока со средней скоростью V (м/с), проходящего через поперечное сечение F (м2), перпендикулярное V, и массой воздуха m (кг) рассчитывается по формуле: кинетическая энергия Экин (Дж) равна массе воздуха m (кг) умноженной на скорость V (м/с) и разделенной на 2.
Величина m определяется как  умноженная на скорость V и умноженная на F,

где  — плотность воздуха, кг/м³.

Обычно в расчетах в качестве  принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t =15°С,  = 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в качестве m взять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт).

Для F = 1 м2 получаем значение удельной мощности (Вт) ветрового потока Nуд (Вт/ м2) со скоростью V(м/с).

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта.

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:

- по мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

- по числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трех- и многолопастные;

- по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо, гондола с редуктором и генератором, башня и фундамент.

Башня — чаще трубообразная, реже — решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизированные синхронные генераторы.

Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания башни не превышает 95—100 дБ. Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной его плотностью . При этом для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диаметром ротора D1 (м) стремятся увеличить высоту башни Н_б  (м), так как скорость ветра увеличивается с высотой по сложной степенной зависимости.

Чем выше расчетная скорость ветра, тем выше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве нее применяется среднегодовая скорость ветра V (м/с), которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает Vmin (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает Vmax (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и использование ВЭУ может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень выше, чем утром), а также существенную случайную составляющую. Для описания процесса изменения скорости ветра во времени требуются ежедневные наблюдения за скоростью ветра в данной точке не менее чем для 10—12 лет. Для описания ветрового процесса используются различные характерные функции распределения для разных географических зон России: распределения Гриневича, Рэлея, Вейбулла—Гудрича и др. Обычно они представляют собой зависимость частоты появления скорости V (м/с) в течение года Т в часах или относительных единицах. Указанные зависимости называются также кривыми дифференциальной повторяемости скоростей ветра V и рассчитываются для условий ровной местности и высоты флюгера 10 м. Учет реальных условий местности (впадин, холмов, строений, леса и т.п.) производится путем пересчета указанной Т с помощью специальных коэффициентов (в России обычно принимается шкала Милевского).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков—сотен) в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80000; 6218 и 31 ТВт · ч. На сегодняшний день использование указанных ресурсов ветра в России практически неощутимо. Обычно в мировой практике принято считать, что, если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 (или 6) м/с, то использование ВЭУ здесь весьма перспективно(побережье Северного ледовитого океана). Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 5 (6) м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ — в объединенной или локальной энергосистеме или для питания автономного потребителя, а также конкретные социально-экологические и экономические характеристики рассматриваемого региона.

Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных и приравненных к ним территорий страны. Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет 30 % и более в разных странах. На 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире составила 24927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37 %). По оценкам экспертов, установленная мощность ВЭУ в мире к 2006 г. вырастет по сравнению с современным уровнем более чем в 3 раза и достигнет 79362 МВт. При этом абсолютным лидером здесь является Германия, где установленная мощность на 01.01.2002 г. составила 8734 МВт (при годовом приросте в 30 %) при прогнозе на 2006 г. — 20484 МВт. В России построена Крюковская ВЭС мощностью 5,1 МВт (20 агрегатов по 225 кВт и один агрегат 600 кВт, г. Калининград), Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт (10 агрегатов по 250 кВт) и строится Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт (22 агрегата по 1 МВт).

Десятки фирм в разных странах мира сегодня представляют на рынок серийные ВЭУ мощностью от нескольких сотен ватт до 2—4 МВт.