Ветроэнергетика

            Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BVв декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.

Современные ветроэнергетические  установки (ВЭУ)

         Современные ВЭУ конструктивно можно разделить на две группы: с горизонтальной осью вращения и с вертикальной осью вращения. Первые получили в мире повсеместное распространение. В настоящее время выпускаются ВЭУ лишь малой мощности, поэтому в нашей стране принята ориентация на использование ВЭУ средней и большой мощности, производимых зарубежными фирмами.С середины 80-тых годов прошлого века по настоящее время в мире ВЭУ с горизонтальной осью вращения сменилось примерно 8 поколений. Каждое из последующих поколений отличается от предыдущих: большей единичной установленной мощностью от 20-30 до 4500кВт; степенью автоматизации; решением технических и экологических проблем; более высокой производительностью и более низкой себестоимостью выработанной электроэнергии. В настоящее время ведущие фирмы – производители используют асинхронные (Vestas, GE Wind и другие) или синхронные (Enercon) машины.В ВЭУ первых поколений, производимых фирмой Vestas, использовалась асинхронная машина с короткозамкнутым ротором и конденсаторами для компенсации реактивной мощности, потребляемой генератором на холостом ходу, что создавало ряд проблем с обеспечением качества электроэнергии в питающей сети.С ростом мощностей ВЭУ возросло их воздействие на электрическую сеть. В современных ВЭУ преимущественно используются ВЭУ двух типов: на основе асинхронных генераторов двойного питания или безредукторные ВЭУ на основе синхронного генератора, в которых решены проблемы плавного пуска, потребления или выдачи реактивной мощности, стабилизации напряжения.Оба типа ВЭУ обладают своими преимуществами и недостатками. Так, стартовая скорость ВЭУ на основе синхронного генератора несколько ниже, чем на основе асинхронного, что несколько увеличивает выработку электроэнергии, отсутствует громоздкий редуктор. Благодаря использованию преобразователя с мощностью, равной номинальной мощности ВЭУ, в более широких пределах возможно регулирование реактивной мощности, чем при использовании АГ с двойным питанием. За последние 25 лет ВЭУ «подросли» — от 20 метров в диаметре ветроко-леса и высоты башен 25-30 метров в конце 1980-х годов до 126 метров в диаметре и 170 метров в высоте башен к 2006 году — и «возмужали» в единичной мощности до 5,0 МВт ( ENERCON 112, Multibrid -5 МВт, REpower - 5 МВт).В разработке (с выходом опытных образцов к 2007-2008 годам) находятся прототипы ВЭУ мощностью до 6 МВт и диаметром ВК 126 метров ( ENERCON 126). До 40% суммарной установленной мощности ВЭУ в мире сегодня приходится на ВЭУ единичной мощностью 1,5-3,6 МВт.Ресурс серийных ВЭУ в настоящее время достиг 120 000 часов, или 20 лет, при одном капремонте на 11-13-м году работы. Гарантия на новые ВЭУ у ведущих производителей составляет 2 года, на ВЭУ « second hand » — 1 год.Трудозатраты на производство, доставку, установку, подключение сети и запуск ВЭС колеблются по данным компаний ENERCON , GAMESA , VESTAS от 12 до 22 чел.-лет на 1 МВт номинальной мощности.Обслуживание ВЭУ последних поколений составляет по данным производителей около 40 часов в год. Контроль за работой современных ВЭС осуществляется дистанционно, регламентные работы выполняют мобильные бригады из расчета 1 специалист на 10-15 ВЭУ в первые 5-7 лет работы ВЭС.Благодаря развитию технологий, увеличению размеров ВЭУ и высоты их башен, размещению ВЭУ в местах с высоким ветровым потенциалом (ВЭП) коэффициенты использования их номинальной мощности (К_инм) составляют 24-25%, а к 2012-2014 годам планируется довести их значения до 28%.Наибольшей эффективности современные ВЭУ достигают в составе многоагрегатных ВЭС при их оптимальном (с учетом роз ветров и топографии местности) размещении.Важным преимуществом ВЭС над традиционными ЭС является быстрый ввод их мощностей и возможность наращивания ВЭС по модульной схеме. При возведении многоагрегатных ВЭС монтаж ВЭУ мёга- ваттной мощности в их составе при наличии фундамента производится со скоростью 1 установка за 2-3 дня.Установленная мощность современных ВЭС достигает 300 МВт. С учетом технического состояния электрических сетей, допустимой нагрузки ВЭУ на энергетические системы, выбора оптимальных мест их установки наиболее эффективны сегодня ВЭС суммарной установленной мощностью 30-50 МВт.Перспективным крупномасштабным направлением современной ветроэнергетики являются оффшорные ВЭС, функционирующие на морском шельфе. Номинальная мощность оффшорных ВЭС достигает 400 МВт при единичной мощности базовых ВЭУ не менее 2 МВт. По экономическим критериям (дороговизна подводных энергокоммуникаций, фундаментов и монтажа ВЭУ) рентабельны ВЭС, установленные на расстоянии до 40 километров от берега и на глубине шельфа не более 35 метров.Лидерами оффшорной ветроэнергетики выступают Германия, Дания, Испания.Важным аргументом в пользу ВЭС является экологичность производимой ими электроэнергии. Использование ВЭУ номинальной мощностью 1 МВт при Кинм ~ 25% позволяет годовую эмиссию углекислого газа снизить на 2000 тонн, угарного газа — на 5 тонн, двуокиси серы — на 13 тонн, пыли — до 1 тонны.

Перспективы

           Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.Германия планирует к 2020 году производить 19,6 % электроэнергии из возобновляемых источников энергии, в основном из ветра. Дания планирует к 2020 г. 50 % потребности страны в электроэнергии обеспечивать за счет ветроэнергетики.В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году — 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч.В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 году и до 30 тыс. МВт к 2020 году. Однако бурное развитие ветроэнергетического сектора позволило Китаю превысить порог в 30 Гвт установленной мощности уже в 2010 году. Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 2 раза в сравнении с 2008 годом. К 2012 году будет построено новых ветряных электростанций на 6 тысяч МВт. Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить ветряных электростанций на 1500 МВт.Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт, из них 6 000 МВт — офшорных.

Экономические аспекты  ветроэнергетики

Рисунок 7.Лопасти ветрогенератора на строительной площадке [1]

          Основная часть стоимости ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (cтоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).

Экономия топлива

          Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Себестоимость электроэнергии

          Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра.

           Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5 — 6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Другие экономические  проблемы

           Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперёд» или спотовом режиме превышает 95 %.Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередачи и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими. Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляемую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередачи оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Экономика малой ветроэнергетики

             В Казахстане считается, что применение ветрогенераторов в быту для обеспечения электричеством малоцелесообразно из-за:

• Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))
• Высокой стоимости аккумуляторных батарей — около 25 % стоимости установки (используются в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)
• Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

             В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительной величины у основной массы производств по сравнению с другими затратами; ключевыми для потребителя остаются надёжность и стабильность электроснабжения.

             Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, являются:

• Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (требуется применение инвертора)
• Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (требуется применение аккумуляторов)
• Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (требуется применение дизель-генератора)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью  ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

• Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
• Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
• Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
• В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
• Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19—25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C без ущерба для потребителей.

Достоинства ветроэнергетики

К достоинствам ветроэнергетики  можно отнести возможность использования  энергии ветра в труднодоступных  местах. Для удаленных мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешевым вариантом. Более того, крупные ветростанции сооружаются в морской прибрежной зоне, не занимая при этом поверхность суши. 

ВЭУ в автономном режиме, т.е. не зависят от внешней сети (энергосистемы).

Возможно применение ветровых энергетических установок в комбинации с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули, мини-ГЭС и т.п.).

В процессе производства ветровой энергии не используется топливо, соответственно отсутствуют затраты на закупку  и доставку сырья, на уменьшение загрязнения  окружающей среды.

Стоимость ветровой энергии  с каждым годом уменьшается благодаря  новым технологиям. 

Недостатки ветроэнергетики

Главным недостатком этого  вида энергии (наряду с изменчивостью  скорости ветра) является низкая плотность  энергии на единицу площади, что  требует значительной поверхности  для размещения ВЭУ. Например, во избежание  взаимного влияния 5 МВт-х ветроагрегатов, расстояние между башнями в ряду поперек ветрового потока должно составлять 3 диаметра ветрового колеса, а в ряду вдоль потока (один за другим) – 5 диаметров. При этом коэффициент использования установленной мощности для наземных машин составляет 30-35 %. А для ветроагрегатов в прибрежной зоне - 40 %, что в первую очередь обусловлено «рельефом» местности, а точнее, отсутствием преград ветровому потоку на море/побережье.Помимо этого, существуют еще и такие факторы: низкая предсказуемость изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующая резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, пути сезонной миграции птиц и телевизионную связь. 

Особенности и  условия полезного использования  ветровой энергии

Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ветрогенератор может преобразовать в электроэнергию. С увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ветроэлектрогенератором. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра.

Институтом возобновляемой энергетики проведены исследования и создан «Атлас энергетического  потенциала возобновляемых источников энергии». Атлас имеет вид сборника картографических, табличных и текстовых  материалов, систематизированных по типам возобновляемых источников энергии.