ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА ТЕХНОЛОГИИ . ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
Литвиненко М.Г., Сюткина А.В.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Нижегородский государственный
архитектурно-строительный университет»
Нижний Новгород, Россия
WIND POWER ENERGETICS
Litvinenko M.G., Syutkina A.V.
Federal State Educational Establishment of Higher Professional Education
«Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering»
Nizhny Novgorod, Russia
Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии,
находит все более широкое применение и приобретает все большую
общественную поддержку.
Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону
(осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка
воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но
современные технологии стали использоваться только в XX веке.
Для выработки электроэнергии мощностью от 1 до 5 кВт необходим
ветер
скоростью
электроснабжения
чуть
более
нагрузки
в
4
м/с,
типовом
этого
вполне
загородном
хватает
доме,
для
излишек
электроэнергии, в период сильных ветров, можно применить для отопления
помещений.
Несмотря
на
массовое
производство,
стоимость
строительства
современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что
ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические
выгоды зависят от правильного расположения. Требует это детального и
всестороннего анализа как технических аспектов, так и экологических, а
также финансовых. Ветряная энергетика соответствует всем условиям,
необходимым для причисления ее к экологически чистым методам
производства энергии.
Основными преимуществами ветряной энергетики являются [1-2]:
+ Энергия ветра – возобновляемая энергия, что означает, что Земля
производит ветер постоянно, бесплатно и без ущерба для окружающей
среды.
+ Энергия
ветра
может
быть
достаточно
дешевой,
если
будет
использоваться в широких масштабах.
+ Энергия ветра доступна практически в любом месте на планете. Где-то
ветер слабее, где-то сильнее, но он есть практически везде.
+ Ветрогенераторы в процессе эксплуатации не производят вредных
выбросов угарного газа (СО), углекислоты (СО2), окислов азота и серы,
пылевых загрязнителей и других вредных отходов, а также «парниковых»
газов.
+ Ветряные турбины расположены на мачтах и занимают очень мало
места, что позволяет размещать их совместно с другими строениями и
объектами.
+ Энергия ветра будет особенно востребована в удаленных местах, куда
доставка электричества другими привычными способами затруднена.
+ Производство и эксплуатация ветряных турбин дает предпосылки для
появления новых рабочих мест.
Несмотря на все положительные аспекты не стоит забывать и о
недостатках ветроустановок [1-2]:
− В разных частях Земли в разное время ветер дует по-разному. При
строительстве
ветряных
электростанций
необходимо
предварительное
исследование и разработка карты ветров.
− Многие люди считают, что ветряки портят природный вид местности.
− Высокая начальная стоимость.
− Ветряные электростанции, как правило, простираются на обширные
территории и находятся в отдалении от потребителя, что создает
дополнительные расходы на транспортировку энергии.
− Сохранение избыточной энергии, выработанной ветряными турбинами,
требуют дополнительных решений.
− Некоторые исследователи утверждают, что ветряки принуждают
некоторые виды птиц менять пути миграции.
− Ветряные турбины создают шум сравнимый с шумом автомобиля
движущегося со скоростью 70 км/ч, что создает дискомфорт для людей и
отпугивает животных.
− Вращающиеся
лопасти
турбины
представляют
потенциальную
опасность для некоторых видов живых организмов. Согласно статистике,
лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее
4 особей птиц в год.
− Есть мнение, что турбины могут создавать помехи, ухудшающие прием
радио- и телепередач.
Основные ветроэнергетические технологии [3]
Горизонтально-осевые ВЭУ
Береговые горизонтально-осевые ВЭУ. Береговые ГОВЭУ являются
самым распространенным видом ВЭУ (Таблица 1). Как правило, такие ВЭУ
оснащены
тремя
лопастями
(существуют
также
много-,
двух-
и
однолопастные ВЭУ), а их мощность может достигать 10 МВт. Мощность
ГОВЭУ зависит, главным образом, от диаметра и высоты расположения
ветроколеса (ротора) — лопастной системы ВЭУ, воспринимающей
аэродинамические нагрузки от ветрового потока. Диаметр ветроколеса для
крупных ВЭУ может достигать 100 м. С целью повышения эффективности
работы ГОВЭУ оснащаются специальными устройствами ориентации на
ветер.
Морские горизонтально-осевые ВЭУ. Морские ГОВЭУ имеют схожую
конструкцию за небольшими исключениями, связанными со способами их
установки.
Так,
морские
ГОВЭУ
подразделяются
на
опорные
(устанавливаются в мелководье на специальную опору-фундамент) и
плавучие (используются на глубоководных морских участках) (Таблица 1).
Морские ГОВЭУ позволяют нивелировать некоторые недостатки береговых
аналогов.
Так,
во
избежание
негативного
«теневого»
эффекта
(аэродинамический след работы соседних ВЭУ) ГОВЭУ должны быть
установлены на определенном расстоянии друг от друга. Выбор мест
размещения морских ГОВЭУ менее ограничен. Плавучие ГОВЭУ могут
также размещаться в местах, удаленных от суши на расстояние до 20 км, в
результате они не видны с берега и визуально не портят ландшафт. Тем не
менее, морские ГОВЭУ характеризуются более высокими по сравнению с
береговыми
аналогами
капитальными
издержками,
что
обусловлено
повышенной сложностью их установки, в том числе более протяженной
сетевой инфраструктурой, особенно для плавучих ГОВЭУ.
Вертикально-осевые ВЭУ
Как
правило,
вертикально-осевые
ветроэлектрические
установки
(ВОВЭУ) имеют вид ротора Савониуса (1922 год) или ротора Дарье (1931
год). Часто также отдельно выделяют одну из вариаций ротора Дарье —
геликоидную
турбину
Горлова
(2001
год)
(Таблица
1).
ВОВЭУ
характеризуются более низкими по сравнению с ГОВЭУ начальными
рабочими скоростями ветра. Кроме того, ВОВЭУ можно размещать намного
ближе к поверхности земли по сравнению с ГОВЭУ, а также достаточно
близко друг к другу. Более того, существуют исследования, результаты
которых показали, что определенная схема расстановки ВОВЭУ может
повысить эффективность работы расположенных рядом установок. Кроме
того, ВОВЭУ не требуют оснащения системами ориентации на ветер.
Перспективные и прочие ВЭУ
ВЭУ с потокоусилителем. ВЭУПУ является разновидностью ГОВЭУ. В
данном виде ветроэнергетической установки используются один или
несколько специальных потокоусилителей (конусов и/или желобов) с целью
концентрации ветрового потока и усиления скорости ветра, проходящего
через лопастную систему ВЭУ (Таблица 1). Поскольку данный вид
ветроэнергетических технологий требует установки дополнительных деталей
(потокоусилителя), их применение ограничено.
Безредукторные ВЭУ. БРВЭУ обладает низкой начальной рабочей
скоростью ветра, которая позволяет вырабатывать электроэнергию при
скорости ветра в 2 м/с. Тем не менее, оптимальная для работы БРВЭУ
скорость ветра составляет 5,6 м/с. Данный вид ветроэлектрической установки
характеризуется отсутствием редуктора, вместо которого используется
кольцевой канал с медным стержнем внутри, установленный вокруг обода
ротора (Таблица 1). Электрический ток в таких ВЭУ вырабатывается путем
взаимодействия медного стрежня с магнитами, вмонтированными в обод
ротора. Такая конструкция позволяет избежать потерь, характерных для
редукторных
ВЭУ.
Диаметр
ротора
современных
моделей
БРВЭУ,
вырабатывающих 1500 кВт. ч в год, достигает 180 см.
Высотные (воздушные) ВЭУ. Такие ВЭУ являются перспективными
видами и представляют собой специальные воздушные змеи (кайты),
аэростаты и глайдеры. Выработка электроэнергии с помощью кайта
осуществляется на земле (натяжение троса, передающего тяговое усилие на
генератор), а с помощью аэростатов и глайдеров — в воздухе (вращение
аэростата или установленных на аэростате/глайдере роторов (Таблица 1)). В
качестве основного преимущества данного вида ВЭУ выделяется более
высокая и стабильная скорость ветра, что позволит добиться большего
объема выработки электроэнергии.
Таблица 1. Основные виды ВЭУ и их КПД
Тип ВЭУ
КПД
Изображение
ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВЫЕ ВЭУ
Береговая ВЭУ
До 40%
Морская ВЭУ (опорная)
До 40%
Морская ВЭУ (плавучая)
До 40%
ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫЕ ВЭУ
Ротор Савониуса
До 40%
Ротор Дарье
До 40%
Тип ВЭУ
КПД
Геликоидная турбина Горлова
До 40%
Изображение
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ И ПРОЧИЕ ВЭУ
ВЭУ с потокоусилителем
До 56-90%
Безредукторная ВЭУ
До 56%
Высотные (воздушные) ВЭУ
До 40%
Учитывая
использование
общую
направленность
возобновляемых
энергетической
источников
энергии,
области
на
развитие
ветроэнергетики будет постоянно ускоряться во всем мире. Разрабатываются
новые
модели
ветроустановок,
в
которых
усиливаются
плюсы
и
минимизируются минусы. Все больше стран в мире устанавливают у себя
ветряные электростанции, используя самые последние разработки. В
суммарной энергии, вырабатываемой в мире, доля энергии, производимой
ветряными электростанциями, постоянно возрастает.
Ветроэнергетика в России развивается сейчас так же, как и во всем мире.
Эксплуатируются
ветряные
электростанции,
построенные
ранее,
проектируются и строятся новые. Доля электроэнергии, вырабатываемой при
использовании
энергии
ветра,
возрастает.
Программа
развития
ветроэнергетики, принятая Мировым Советом по ветроэнергетике в 1998
году предусматривает, что к 2020 году доля ветроэнергетики в производстве
электроэнергии должна составить 10% (Программа «Wind Force-10») [4]. В
связи с успешным её выполнением, программой предусматривается
достижение к 2020 году уже не 10, а 12% [4]. И есть реальные основы
полагать, что этот прогноз сбудется.
Список литературы
1. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических
установок с использованием возобновляемых видов энергии. – М.: КолосС,
2003. – 532 с.: ил.
2. Обозов А. Возобновляемые источники энергии: учебное пособие для
вузов / А.Дж. Обозов, Р.М. Ботпаев - Бишкек, 2010. – 218 с
3. Аналитический центр при Правительстве Российской Федерации:
Дирекция
по
экономике
отраслей
ТЭК
«Развитие
технологий
ветроэнергетики в мире» // Информационная справка, октябрь 2013
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ac.gov.ru/publications/.
4. Безруких П.П., Безруких П.П. (младший). Ветроэнергетика. Вымыслы и
факты. Ответы на 100 вопросов. — М.: Институт устойчивого развития
Общественной палаты Российской Федерации / Центр экологической
политики России, 2011. – 74 с.