Ветровая энергетика
Энергетический потенциал ветроэнергетики определяется прежде всего географической динамикой распределения глобальных и локальных (местных) ветров.
К глобальным относят пассаты и так называемый западный ветер. Пассаты возникают в результате повышенного нагрева экваториальной зоны Земли и поднятия нагретых воздушных масс вверх, в результате чего к экватору постоянно увлекается более холодный воздух с севера и юга. Пассаты дуют в приэкваториальной области между 25° северной и 30° южной широты над поверхностью океана со средней силой 2…3 балла. «Западный ветер» дует круглый год с запада на восток в полосе от 40° до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды со средней скоростью 6…8 баллов.
Из локальных ветров наиболее крупными являются муссоны, связанные с сезонными изменениями разности температур материка и океана, которые являются обычными для региона Индийского океана и зимой дуют с суши на море, а летом — с моря на сушу. Кроме того, для прибрежных зон морей типичны ветры, связанные с суточными различиями температуры суши и воды -дневной морской и ночной береговой бризы.
В глубинах материков ветров постоянного направления, как правило, нет, здесь можно говорить только о преимущественных сезонных направлениях ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, причем для высот до 50…70 м характерны так называемые рыскающие воздушные потоки. В то же время на высоте 100 м среднегодовые скорости ветров, как пра¬вило, превышают 7 м/с, что оказывается весьма благоприятными условиями для использования в ветроэнергетике.
Принцип действия всех ветроэлектроустановок (ВЭУ) един с обычными ветряными мельницами: под напором воздушного потока ветроколесо с лопастями (или винт) вращается, передавая крутящий момент (напрямую или через систему трансмиссии) электрогенератору.
Ветровые двигатели, известные с незапамятных времен, начали активно использовать в качестве электрогенерирующих устройств в начале XX в. Пионерами в этом направлении были США, Германия, Россия, где построено несколько сравнительно крупных ветроагрегатов мощностью 0,1… 1,5 МВт. Однако к 1940-м годам попытки использования энергии ветра в «большой энергетике» практически прекращены во всем мире. Причины этого как в сравнительной дешевизне в то время нефти и угля для ТЭС, так и в быстрых темпах освоения гидроэнергетических ресурсов.
Новый этап возрождения интереса к ВЭУ и ветроэлектростанциям (ВЭС) связан с энергетическим кризисом 1970-х годов, когда в мире вновь начали в больших количествах сооружать малые, средние и большие ВЭС.
Суммарная мощность мировых ВЭС к началу 1990-х годов достигла 2 млн кВт. В их сооружении первенство принадлежит США. Из других стран, активно развивавших ветроэнергетику, можно назвать Данию, Швецию, ФРГ, Великобританию, Нидерланды, Испанию, Грецию, Канаду.
Крупные национальные программы освоения энергии ветра развернуты в США, Канаде, Германии, Франции, Швеции, КНР и других странах. Ряд государств осуществляет строительство крупных ВЭС, базирующихся на объединении в общую систему ВЭУ средней мощности. В частности, в 1980-е годы в США было сооружено три ВЭС такого типа, включающие 3600 ВЭУ общей мощностью 240 МВт. Также в США есть проекты сверхмощных ВЭС мощностью 2,5 МВт, где диаметр ветроколес составит около 100 м. В США коммерческие проекты ВЭС наполовину финансируются из государственного бюджета, наполовину – будущими потребителями экологически чистой энергии.
Известны также германские проекты ВЭС «Гровиан» мощностью 3…5 МВт. Кроме того, ВЭС средней мощности проектируются и строятся в Дании, Бельгии, Нидерландах, Испании, ряде других стран.
Удельные капиталовложения в сооружение ВЭУ при их серийном производстве сейчас оцениваются в 800… 1100 долл./кВт. В ближайшие годы США планируют получать за счет ВЭС до 1,6 %, производимой электроэнергии. Дания и Нидерланды – до 10 % общего энергопроизводства своих стран.
Традиционная конструкция современных ВЭУ – ветроколесо в виде многолопастного винта с горизонтальной осью. При больших размерах ветроколес сказываются существенные различия в направлении ветра на разной высоте и эффекты «рыскания» воздушных потоков. Это не позволяет оптимально ориентировать установку в воздушном потоке, и более того, вынуждает обеспечивать ее избыточную механическую прочность во избежание разрушения конструкции разнонаправленными порывами ветра. Кроме того, ветроколесо такого типа обычно имеет довольно высокую скорость вращения и создает при работе значительный шумовой фон (в том числе при определенных условиях очень вредный для всех живых существ, включая человека, инфразвук).
С учетом указанных ограничений размеры лопастей крыльчатых ВЭУ с горизонтальной осью реально не должны превышать 60 м, что в настоящее время позволяет создавать ВЭУ максимальном мощностью 7 МВт и при массовом производстве обеспечить стоимость их электроэнергии около 10… 13 центов за 1 кВт-ч.
Более перспективными, в связи с указанными проблемами крыльчатых ВЭУ, считаются карусельные ВЭУ с вертикальной осью вращения. Они не требуют ориентации по воздушному по току, что особенно важно для типичной ситуации «рыскающих» приземных воздушных потоков, обеспечивают при тех же размеpax ветроколеса больший момент вращения, при изменениях скорости ветра быстро наращивают силу тяги.
К недостаткам карусельных ВЭУ относят прежде всего их «тихоходность», т. е. необходимо применение для выработки электроэнергии специальных низкооборотных многополюсных электрогенераторов либо повышающих обороты редукторов, снижающих КПД.
Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, достигнутая в настоящее время стоимость производимой ими энергии составляет 15… 20 центов за 1 кВтч.
Таким образом, существующие и проектируемые ВЭС пока экономически неконкурентоспособны с традиционными источниками электрической энергии. Эксперты считают, что перепективы развития в этой области связаны с повышением коэффициента полезного использования ветра с 25 до 60…70 % за счет совершенствования конструкций ветроколес, со снижением материалоемкости и особенно металлоемкости ВЭС (сейчас она составляет до 500 кг на 1 кВт установленной мощности), а также решением проблем эффективного аккумулирования полученной энергии.