1.3. Контрольные вопросы

1. В чем заключается преимущество солнечной энергии?

2. Перечислите методы измерения солнечной радиации.

3. В какой местности размещение солнечных установок более выгодно?

4. Назовите и охарактеризуйте крупнейшие действующие солнечные электростанции.

5. Поясните принцип действия фотоэлемента.

Тема 2. Использование энергии ветра

2.1. Цель практического занятия

1. Изучить преимущества и недостатки использования энергии ветра.

2. Ознакомиться с принципами работы ветроэнергетической установки.

2.2. Содержание практического занятия

Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического использования природных возобновляемых энергоресурсов. Суммарная установленная мощность крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире оценивается сегодня в 44 000 МВт. Единичная мощность наиболее крупных ветряных установок превышает 1 МВт. Во многих странах появилась даже новая отрасль – ветроэнергетическое машиностроение. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и т. д. В частности, Германия планирует к 2030 году производить при помощи ветра до 30 % всей электроэнергии страны.

Достаточно широкое распространение ветроэнергетических установок объясняется их относительно невысокими удельными капиталовложениями по сравнению с другими возобновляемыми энергоисточниками.

В России к началу нынешнего века использовалось около двух с половиной тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года ветряные мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Однако интерес к ветроэнергетике не исчезал, и иногда предпринимались попытки использовать энергию ветра на научной и государственной основе. В 1931 году в районе Ялты была построена крупнейшая для своего времени ветроустановка на 100 кВт. В СССР разработкой ВЭУ небольшой мощности занималось НПО «Ветроэн» с производственными мощностями в г. Астрахань и г. Фрунзе.

В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. Созданы отечественные образцы ВЭУ мощностью до 100 кВт, например ВЭУ «Радуга».

Принцип действия всех ветродвигателей заключается во вращении ветроколеса с лопастями под напором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Достоинства ВЭУ:

– экологически чистый вид энергии: создание электроэнергии с поддержкою «ветряков» не сопровождается выбросами CO₂ и каких-либо иных газов;

– эргономика: ветровые электростанции занимают совсем немного места и просто вписываются в любой ландшафт, а также непревзойденно смешиваются с иными видами хозяйственного применения территорий;

– возобновляемая энергия: энергия ветра, в отличие от ископаемого горючего, неистощима;

– ветровая энергетика – лучшее решение для труднодоступных мест: для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и более дешёвым решением.

Недостатки ВЭУ:

– непостоянность: непостоянность заключается в том, что нет гарантии получения нужного количества электроэнергии, так как на отдельных участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки нужного количества электроэнергии;

– условно низкий выход электроэнергии: ветровые генераторы веско уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сходу нескольких турбин, не считая того, что ветровые турбины неэффективны при пиковых отягощениях;

– немалая стоимость: стоимость установки, производящей 1 гигаватт электроэнергии, около 1 миллиона долларов;

– опасность для живой природы: вертящиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для неких видов живых организмов. По статистике, лопасти каждой установленной турбины являются предпосылкой погибели не менее 4 особей птиц в год;

– шумовое загрязнение: шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство как животным, так и людям, живущим вблизи.

Рекомендации по выбору ВЭУ:

1. Использование электроэнергии от ветра экономически выгодно при среднегодовых скоростях ветра более 5 м/с, либо при отсутствии или нерегулярной подаче сетевого электричества.

2. Серийное производство ВЭУ (более 10 шт. в месяц) в настоящее время в России и СНГ отсутствует. Сегодня существует около 10 реальных производителей и еще 10-20, которые пытаются или пробовали раннее изготавливать ВЭУ в РФ.

3. Иностранных производителей ВЭУ можно исключить, так как их цены в несколько раз выше отечественных.

4. Особое внимание стоит уделять не только мощности ВЭУ (именно ВЭУ, а не инвертора, входящего в комплект), но и тому, при какой скорости ветра эта мощность может быть получена. Некоторые продавцы представляют завышенные показатели. Эта мощность практически зависит только от скорости ветра V и диаметра винта D, а все остальные факторы: количество лопастей, их вес, площадь, профиль, крутка, генератор, подшипники и т. д. – второстепенные, и большой погрешности не дают.

5. При выборе ВЭУ необходимо иметь в виду, что наиболее экономически эффективную отдачу мощности при ветровых условиях вашей местности можно получить при двукратной среднегодовой скорости ветра, которую можно назвать номинальной.

6. Как это ни парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна.

7. Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30 % вследствие идеализации воздушного потока в трубе.

8. Вертикально-осевые ветроустановки имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтально-осевыми. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера.

9. При сравнении цен разных производителей обязательно учитывайте состав продаваемого оборудования и его функциональность. Ведь ВЭУ – это целый комплекс, куда обязательно входят:

а) ветроэлектрический агрегат – это генератор, лопасти, узел крепления к мачте; кроме того, сюда может входить регулятор скорости вращения винта (центробежный, механический) и устройство ориентации на ветер (хвост или виндроза);

б) мачта может быть как специальная, так и сооруженная из водопроводной трубы или столба. Здесь можно сэкономить, так как специальная мачта достаточно дорогая.

10. Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, начинающих работать на малых скоростях ветра – до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия ничтожно мала. Например, для ВЭУ с диаметром винта 5 м выдаваемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт, минус половина этой мощности уйдет на трение в подшипниках и прочие потери, а оставшиеся 15 Вт – ничто, ведь для зарядки одной аккумуляторной батареи емкостью 50 А/ч необходимо 70 Вт. Так что, кроме наслаждения от вращения ВЭУ, вы больше ничего не получите.

11. При работе ВЭУ в дождь или снег выдаваемая мощность снижается на 10…30 %.

12. Шум от работы без редукторной ВЭУ напоминает свист ветра через приоткрытое окно легкового автомобиля на большой скорости. При работе редукторных ВЭУ гудение редуктора может быть значительным, а ресурс намного ниже.

13. Использовать ВЭУ для отопления дома экономически целесообразно только при среднегодовой скорости ветра более 5-6 м/с.

Ветроэнергетические районы

Россия имеет огромные запасы ветроэнергетических ресурсов. В ряде районов среднегодовая скорость ветра достигает 6 м/с и выше, что делает эти районы перспективными для использования ветроэнергетики (рис. 5).

Рис. 5. Карта ветроэнергетических районов России

Кемеровская область располагается на стыке крупных климатических областей, а это обуславливает постоянную циркуляцию воздушных потоков. В целом, в области преобладают ветры западного и юго-западного направлений скоростью 3-6 м/с (табл. 2). Однако бывают периоды, когда подолгу держатся в области северо-западные ветры (эти приносят в область с Колымы и Таймыра сухой, холодный ветер). Согласно результатам наблюдений, использование энергии ветра в Кемеровской области как альтернативного источника энергии, является вполне возможным. Для выбора места установки ветрогенераторов и типов наиболее подходящих для данных условий ветряков следует проводить дополнительные исследования.

Таблица 2

Среднемесячный процент времени скорости ветра для Кемеровской области на высоте 50 метров над поверхностью земли в заданном диапазоне (%)

Широта 55.333 Долгота 86.067	0-2 м/с	3-6 м/с	7-10 м/с
Январь	8	81	11
Февраль	17	75	8
Март	20	76	4
Апрель	16	77	7
Май	21	72	7
Июнь	27	70	3
Июль	30	69	1
Август	27	70	3
Сентябрь	22	74	4
Октябрь	17	76	7
Ноябрь	10	78	12
Декабрь	6	83	11
Среднее за год	18	76	6