Ветроэнергетика

Челoвечеcтвo давнo пытаетcя избавитьcя oт углевoдoрoднoй, нефтянoй завиcимocти. Для этoгo oнo разрабатывает альтернативные варианты электрocнабжения. Пocле энергетичеcкoгo кризиcа 1973 г. внимание мирoвoй общеcтвенноcти к проблеме иcпользования возобновляемых иcточников энергии, и ветроэнергетики, в чаcтноcти, возроcло. Главный иcточник ветра – cолнце. Его неравномерное излучение cоздает в атмоcфере земли зоны различного давления. Эти перемещения называются ветром. Воздух направляется из зоны высокого давления в зону низкого.

Ветрогенератор особенно целесообразен в удаленных местах, где нет электропровода, с его помощью можно обеспечить электричеством яхту.

Потенциал ветровой энергетики составляет 54 млрд т нефтяного эквивалента и превышает потребление энергии в современном мире минимум в 5 раз. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт дает экономию около 29 тыс. т угля или 92 тыс. бар нефти из расчета за 20 лет. При этом во внимание принимались только места со средней годовой скоростью ветра свыше 6,9 м/сек на высоте 80 м. На сегодня в мире установлены и работают тысячи ветрогенераторов общей мощностью 73,9 ГВт, из которых 65% приходятся на Европу. Мощность построенных в 2009 г. ветряных электростанций превышает мощность 25 крупных ядерных реакторов. В производстве возобновляемой энергии лидируют Германия и Дания. У ветряных установок КПД не такой, как у угольных или газовых ТЭЦ. Однако в Германии мощность всех ветряков сопоставима с установленной мощностью всех атомных станций концерна «Росэнергоатом». За последнюю пару лет в лидеры выдвинулся Китай, который опередил по вводу генераторов США и Евросоюз. Эти данные были опубликованы в 2010 г. в докладе Глобального совета по ветроэнергетике.

У ветроэнергетики есть свои собственные минусы, из-за которых о стремлении полностью заменить ею другие способы электрогенерации речи не идет. Оптимальная для ветроэнергетики сила ветра 14–17 м/сек. Непосредственно у земли такая скорость развивается редко, поэтому ветряки устанавливаются на высоте нескольких десятков метров. В России наиболее ветреные участки – районы Обской губы, Кольского полуострова, прибрежная полоса Дальнего Востока. Средняя скорость ветра здесь держится на уровне 11–12 м/сек. На островах рядом с Владивостоком на высоте 150 м скорость ветра никогда не опускается ниже 11 м/сек.

Существенный недостаток энергии ветра – непостоянство. Сегодня генератор выдает одну мощность, завтра ветер затихнет – и электричество пропало. Поэтому к ветряку приходится добавлять комплекс аппаратуры. Во-первых – инвертор, который преобразует полученную энергию в ток промышленного качества (для России – 220 В, 50 Гц). Во-вторых – батарею аккумуляторов для выравнивания мощности. В-третьих – резервный дизель-генератор на случай длительного безветрия. Добавление всех этих агрегатов, которые значительную часть времени будут простаивать, увеличивает себестоимость производимой энергии в 2–3 раза.

Для поддержания стабильности электросети нужно, чтобы производство и потребление были одинаковыми, изменчивость мощностей ветроэлектростанций создает большую проблему для их ввода в существующие сети. Поэтому в электросети должны быть дублирующие генерирующие мощности, например, газотурбинные установки, а также аккумулирующие системы, такие как гидроаккумулирующая электростанции, удорожающие ветроэлектроэнергию на 25%. Если доля электроэнергии в энергосистеме превышает 20–25%, в ней возникают проблемы диспетчеризации и управления нагрузкой сети, выключение генерирующих мощностей и решения по хранению электроэнергии.

Еще одна проблема ветроэнергетики – относительно низкая мощность. Промышленный ветрогенератор работает с мощностью 1 МВт. На 1 км2 можно разместить максимум пару десятков ветряных установок так, чтобы они не мешали работе друг друга. С учетом непостоянства ветров с 1 км2 можно снимать в среднем 5–10 МВт электроэнергии, а для получения 1 ГВт понадобится площадь 100–200 км2. Для сравнения: Курская АЭС мощностью 4 ГВт вместе со всеми вспомогательными сооружениями и даже с рабочим поселком занимает площадь 30 км2. Стандартный способ решения этой проблемы – отведение под ВЭС пустующих земель либо использование территории ВЭС фермерами по сниженным арендным ценам. Многие государства стали создавать «морские ветропарки», застраивая ветряками прибрежные шельфовые зоны.

Очередная сопутствующая проблема ветроэнергетики – интенсивность шума 100 дБ, как на станции метро, на которую прибывают сразу два поезда. У подножия установки шум составляет около 60 дБ, как на улице большого города. С целью сохранения допустимого уровня шума в 35–45 дБ практически во всех странах, где применяются промышленные ветряки, законом установлено расстояние от них до жилых построек, равное не менее 300 м. Это требование также связано с радиопомехами, которые они создают.

Ремонт ВЭС – тоже задача. К лопастям и генератору весом в десятки и сотни тонн на башне высотой 80 м добраться можно только с помощью крана. В современные ветроэнергетические установки он встроен. Надо иметь в виду, что птицы могут попасть в лопасти,а детали загореться из-за трения.

Из истории

Ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Известно, что в Персии ветродвигатели применяли в X в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце XII в. В течение XVI в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала XX в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во II половине XX в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, чьи ветроколеса могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Современные ветродвигатели

Современные ветродвигатели делятся на два основных типа: карусельные, с вертикальной осью вращения, и крыльчатые – с горизонтальной. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 м, высота башни 70 м, диаметр лопастей 90 м. Самые большие в мире ветрогенераторы выпускает немецкая компания REpower Systems. Диаметр ротора этой турбины 126 м. Мощность таких установок доходит до 6 МВт, вес гондолы – 200 т, высота башни – 120 м. Длина лопастей ограничена скоростью движения их концов, которая не должна превосходить примерно треть скорости звука.

В отличие от крыльчатых, карусельные ветряки работают при меньшей скорости ветра. А КПД силы ветра у крыльчатых конструкций значительно выше, поэтому и распространены они гораздо шире – 90% всех промышленных энергоустановок в мире.

Есть и ВЭС принципиально новой конструкции, состоящие из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может быть в диаметре 120 м и более. Другой пример – многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов.

Несмотря на все вышеперечисленные проблемы, генераторы продолжают строить. И не только потому, что дорожает нефть. Не так давно для их использования появился новый стимул – Киотский протокол, который устанавливает ограничения на выброс в атмосферу углекислого газа. Для развитых государств перевод части энергетики на экологически чистые источники – Солнце и ветер – достойное экологичное решение. Сегодня во многих развитых странах приняты специальные законы, поддерживающие дело строительства ветрогенераторов. Суть их в льготном налогообложении и высокой цене покупки электричества государством у компаний, которые решились вложить деньги в ветроэнергетику. Для них снижена арендная ставка на землю, упрощена процедура подключения к общей энергетической системе. Цель такого регулирования – строительство ВЭС на деньги частных инвесторов.


Российские законодатели все еще не приняли «Закон о малой энергетике». По российским законам экологически чистые ВЭС и ТЭС или АЭС равны. Они облагаются теми же налогами, их сложно встроить в общую энергосистему, нужно самостоятельно обустраивать инфраструктуру, подводить ЛЭП, оборудовать подъездные пути и т.п.

Сейчас тема модернизации на государственном уровне поднимается впервые за 20 лет.

Правительство РФ в 2009 г. приняло программу развития альтернативной энергетики. В России на данный момент из всех возобновляемых источников энергии активно используются только гидроресурсы. В стране реализуется всего несколько проектов в области ветроэнергетики, например, ветропарки в Башкирии и Калининградской области, Мутновские ГеоЭС на Камчатке (около 60 МВт), приливная электростанция (ПЭС) на Кольском полуострове. В целом вся альтернативная энергетика дает около 8,5 млрд кВт•ч в год, что составляет менее 1% от общероссийской выработки. Принятая программа предполагает увеличение доли ВИЭ в стране до 4,5% в 2020 г. Это постановление взяла на вооружение полностью государственная компания «РусГидро», у которой на сегодня самая большая программа развития ВИЭ.

В рамках стратегии развития использования ВИЭ компания стремится инвестировать в генерирующие мощности на возобновляемых источниках первичной энергии, принимая активное участие в их девелопменте, проектировании, строительстве и эксплуатации. Русгидро, возможно, построит 36 ветродизельных комплексов в наиболее удаленных населенных пунктах Камчатского края и Якутии.

На сегодня в России совокупная установленная мощность ветровых электроустановок составляет немногим более 15 МВт. Экономический потенциал ветровой энергии России, по оценкам энергетиков, составляет около 260 млрд кВт•ч в год, это соответствует примерно 30% совокупной выработки электроэнергии в стране.