Ветроэнергетические ресурсы
Энергия ветра на Земном шаре оценивается в 175-219 тыс. ТВт ∙ч в год. Это пример- но в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и года (муссоны). Полезно может быть использовано лишь 5% указанной величи- ны энергии ветра. Используется же значительно меньше. Выявим причины этого и пер- спективы развития ветроэнергетики.
Наиболее эффективный способ утилизации энергии ветра – производство электро- энергии. В ветроэнергетической установке (ВЭУ) кинетическая энергия движения воздуха превращается в энергию вращения ротора генератора, который вырабатывает электро- энергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ро- тора и скорости ветра в кубе. Поэтому ВЭУ большой мощности оказываются крупногаба- ритными, ведь скорость ветра в среднем бывает небольшой. Для защиты от разрушения сильными случайными порывами ветра установки проектируются со значительным запа- сом прочности. Трудности в использовании ВЭУ связаны с непостоянством скорости ветра. Приходится управлять частотой вращения ветроколеса и согласовывать се с частотой вра- щения электрогенератора. Кроме того, в периоды безветрия электроэнергия не производит- ся. Для исключения перерывов в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энер- гии. Крупномасштабное применение ВЭУ в каком-то одном районе может вызвать значи- тельные климатические изменения, испортить ландшафт. ВЭУ создают шум и электромаг-
нитные помехи.
Научные разработки и исследования ориентированы на использование ВЭУ по двум направлениям: в региональных энергосистемах и для местного (автономного) энерго- снабжения. Функционируют ВЭУ мощностью до 200 кВт, и созданы установки мощностью 3-4 МВт. Срок службы таких генераторов около 20 лет. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет меньше, чем ТЭС на жидком топливе. Устанавливаться такие ВЭУ могут на открытых равнинных местах. Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт для автономного энергоснабжения жилых помещений, ферм и других потребителей могут применяться в странах с высоким жизненным уровнем.
Доля ветроэнергетики Великобритании и Германии оценена в 20%. Наибольшая доля (до 30%) в производстве электроэнергии получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Строительство современных ВЭУ началось здесь в конце 70-х го- дов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдался особенно интенсивный рост ВЭУ. Принятие -здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источ- ники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную об- становку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству элек- троэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так как в ЕС поставили цель выра- батывать 8 тыс МВт ветровой электроэнергии, что составляет 1% потребностей не в электро- энергии. Дания, Германия и Нидерланды должны вырабатывать электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт.
Стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и даже сегодня может конкуриро- вать на рынке, а главное – имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимо- сти энергии, получаемой на АЭС; при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время
превышают
25%
в год.
Использование
энергии
ветра в
различных
государствах
набирает силу.
Территория Республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильная скорость ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5-2,5% вет- ровой энергии. К зонам, благоприятным для раз- вития ветроэнергетики, со среднегодовой скоро- стью ветра выше 5-5,5 м/с, относится 20% терри- тории страны. Поэтому ветроэнергетику можно рассматривать в качестве вспомогательного энер- горесурса, решающего местные проблемы, на- пример, отдельных фермерских хозяйств. По не- которым оценкам, возможная установленная мощность ВЭУ к 2010 г. в республике может со- ставить 1500 кВт.
Ветровые установки классифицируются по двум основным признакам (рис. 3.6) – геометрии ветрового колеса и ориентации оси вращения вет- рового колеса относительно направления ветра. Ус- тановки, использующие подъемную силу (лифт-
машины), имеют, как правило, линейную скорость
Рис- 3.6. Классификация ветроэнергети-
ческих установок по типу исполнения и ориентации ветровых колес: а - ветровые колеса с горизонтальной осью вращения; б - ветровые колеса с вертикальной осью вращения
концов лопастей ветрового колеса больше скорости ветра.
Установки, использующие силу лобового сопротивления (драг-машины - рис. 3.7), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра.
Среди различных типов ветровых колес следует выделить цилиндры Магнуса. В осно- ве работы ВЭУ данного типа лежит использование реактивной подъемной силы (рис. 3.8), возникающей вследствие различных условий обтекания (и соответственно различного перепада давлений) на верхней и нижней образующих цилиндров вращения.
Отличительной
особенностью
ВЭУ, использующих
эффект
Магнуса,
является
достижение
максимальной
эффективности
восприятия
ветрового
потенциала
при
не
очень
высоких
(~
4-5
м/с)
скоростях
Рис. 3.7. Принципиальная схема ветровой установки, использующей силу лобового со- противления
ветра.
На рис. 3.9 и 3.10 приведены
Рис. 3.8. Роторный элемент ветровой установки,
примеры промышленных конструкций
лопастных (с продольной и вертикаль- ной осями вращения ветрового колеса)
использующей эффект Магнуса: F - реактивная подъемная сила
ВЭУ и опытно-промышленной ВЭУ роторного типа.
Рис. 3.9. Конструкции лопастных ВЭУ Рис. 3.10. Роторная ВЭУ фирмы «Аэролла»
(Беларусь)
Расчет энергетических характеристик ВЭУ. Запас энергии воздушных потоков (или ветровой потенциал) характеризуется прежде всего устойчивыми значениями скорости ветра на уровне размещения ветрового колеса.
Для определения локальных значений скорости ветра на заданной высоте используется соотношение
Uz=Ul0(Z/10)b, (3.1)
где Uz - скорость ветра на определяемой высоте Z; U10 - стандартное значение ско-
рости ветра для данной местности на высоте флюгера 10 м; b - параметр соотнесения, зави- сящий от времени года и рельефа местности (для открытых мест b приблизительно равно 0,14).
Соответственно, при скорости ветра U на уровне оси ветрового колеса мощность Р, раз- виваемая ветроэнергетической установкой, определяется из соотношения
P cp Sом
U 3
2
(3.2)
где
Sом = πD2/4 - ометаемая площадь (площадь, покрываемая лопастями ветрового ко-
леса диаметром D при его вращении); ср - коэффициент мощности, характеризующий эффек- тивность использования ветровым колесом энергии ветрового потока и зависящий от конст- рукции ветрового колеса; ρ - плотность воздуха.
Максимальная проектная мощность ВЭУ определяется для некоторой стандартной ско- рости ветра (обычно в пределах 8-12 м/с в зависимости от типа установки), при которой га- рантируется оптимальный режим и безопасность работы ветрового колеса и узлов трансмис- сии. В целом при проектировании ВЭУ учитываются максимально возможные для данной местности порывы ветра.
Основным направлением использования ВЭУ в нашей республике на ближайший пери- од будет применение их для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании с МГЭС для перекачки воды.
Автономные ВЭУ обязательно должны комплектоваться резервными дизельными ис- точниками электроэнергии или аккумуляторными батареями.