Ветроэнергетика. Перспективы использования в Республике Беларусь

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: “ЮНЕСКО”

РЕФЕРАТ

на тему: “Ветроэнергетика.  Перспективы использования в

Республике Беларусь”

                                                                                                                            2 курс

Минск, 2002

                                                            “Нетрадиционная энергетика” нетрадиционна

 потому, что не везде ещё у нас есть традиция –

                 беречь родную природу.

Разуваев В.А.

         Историю человеческого общества (в том числе  и нашей Беларуси) можно рассматривать по-разному.  Например, как историю жизни и поступков королей,  императоров, президентов. А можно  - как историю развития энергетики.

    Солнце по-разному обогревает разные участки земной поверхности – горы и долины, океаны и сушу. Воздушный океан, на дне которого мы живем, всегда неспокоен. Постоянно и повсюду дуют ветры – от легкого ветерка, приносящего желанную прохладу в летний зной, до могучих и грозных ураганов.

    Огромная энергия движущихся воздушных масс, и мысль об ее использовании давно уже привлекала людей. Да и использовать эту энергию научились за тысячу лет до нашей эры. Энергия ветра помогала преодолевать просторы океанов, ветряные мельницы служили единственным источником энергии для тех человеческих поселений, где не было рек или моря.

     В Европе количество водяных мельниц в конце VXIII века доходило до полумиллиона. В Беларуси в середине XIX века, например, в Гродненской губернии насчитывалось 258 ветряных мельниц.

    Ограниченность мировых запасов топлива и энергии, неравномерность их распределения по планете, ухудшение экологической ситуации все острее ставят вопрос о всемирном использовании нетрадиционных экологически чистых энерготехнологий и использовании возобновляемых энергоресурсов.

    И теперь интерес к использованию энергии ветра, источника нескончаемого, не прошел, и, более того, техника ХХ века открыла для этого совершенно новые возможности.

    Активное использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и правительствами развитых стран.

    Из таких энергоресурсов наиболее распространенным и доступным является ветер. Эксплуатация ветроустановок не требует топлива и воды, они могут быть полностью автоматизированы, отчуждаемая территория минимальна и по расчетам составляет 3 – 5 м²/кВт установленной мощности. Эти установки практически полной заводской готовности, и для их монтажа требуется минимум времени (фундамент и подключение к сети). Вот почему ветроэнергетика  бурно развивается.

Для эффективной работы ветроустановок необходимы определенные требования по их размещению. Так, для относительно постоянной работы ветроэнергетических установок требуется их размещение в местностях, где ветровой потенциал составляет 2500 часов в год. 

Ветровые условия района применительно к ветроиспользованию характеризуются ветроэнергетическим потенциалом, который включает в себя различные показателя ветра, определяемые по результатам многолетних наблюдений: среднегодовые и среднемесячные скорости ветра; повторяемость скорости и направление ветра в течение года, месяца, суток; данные о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра; изменения его с высотой и т. п.

Достоверность оценки ветрового потенциала местности – наиболее важный фактор, определяющий эффективность ветроэнергетических станций. 

Следует отметить, что была разработана классификация силы ветра по шкале Бофора и изучено влияние ее на характеристики ветроэнергетических установок различных классов и условия их работы.

Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на

 ветроустановки и условия их работы.

Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:

- положению ветроколеса относительно направления ветра;

- геометрии ветроколеса;

- по мощности ветроустановки.

В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные – с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.

Ветроколесо с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции.

    Следует отметить, что ветроколесо с вертикальной осью вращения, в отличие от таковых с горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальными недостатками являются большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроагрегатов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов вертикально-осевых установок.

По мощности ветроустановки делятся на: малой мощности – до 100 кВт, средней – от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного класса) – 0,5-4 МВт и более.

Часто идет речь о малой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема для сельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителей в неэлектрофицированных районах и т.п. Во многих странах налажено серийное производство ветроустановок малой мощности. Например, в России НПО "Ветроэн" серийно выпускает установки мощностью 4 кВт с диаметром колеса 6 м.

Следует отметить, что малая ветроэнергетика не требует больших территорий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующие условия.

Выбор характеристик ветроколеса для ветроустановки в конкретных ветровых условиях определяется целями, которые перед ней ставятся. Обычно это требование максимизации производства энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива тепловыми станциями единой энергосистемы, либо обеспечение производства определенного минимума энергии даже при слабом ветре, чтобы, например, сохранить работоспособность насосов системы водоснабжения.

Одной из важнейших характеристик ветроколеса является его быстроходность, которая зависит от трех основных переменных: радиуса обметаемой ветроколесом окружности, скорости ветра, угловой скорости вращения колеса.

 В настоящее время в мире установлены и находятся в эксплуатации ветроэнергетические установки (ВЭУ) суммарной мощностью более 25 000 МВт.

К началу 2001 г. мировой рынок ВЭУ оценивался следующими цифрами (табл. 1).

Табл. 1

    Рынок ВЭУ в настоящее время является одним из наиболее быстроразвивающихся, его рост превышает 20% в год.

    Ведущими производителями ВЭУ в мире в настоящее время являются фирмы Германии, Дании, Испании. На рынке ВЭУ существует острая конкуренция между ведущими фирмами. В последние годы некоторые крупные производители ВЭУ разорились и появились новые. На конце 2000 г. рынок распределялся примерно следующим образом (табл. 2).

Табл. 2

    Специалисты подсчитали, что в течение первого десятилетия XXI в. энергия ветра может обеспечить 10% потребности Западной Европы в электроэнергии. Используя большие неосвоенные запасы энергии ветра на морском побережье, европейские страны могут увеличить мощность ветроэнергетических установок до 40 тыс. МВт в 2010 г. и до 100 тыс. МВт в 2020 г. Если учесть, что суммарная мощность ВЭУ в Европе в 2000 г. составляла  примерно 8 тыс. МВт, то приведенные цифры свидетельствуют о беспрецедентных темпах развития этого сектора энергетики.

    Повышение единичных мощностей и совершенствование технологии улучшают экологические показатели производства энергии на ВЭУ. Стоимость 1 кВТ·ч электроэнергии, вырабатываемой на ВЭУ в 1980 г. составляла 0,45 – 0,60 немецких марок, а в 1995 г. снизилось до 0,11 – 0,25 немецких марки. По оценкам специалистов, в перспективе себестоимость электроэнергии на ВЭУ будет существенно снижаться.

    Ведущее место в мире по производству электроэнергии на ветроэлектростанциях (ВЭС) занимает Германия. Причиной успешного развития ветроэнергетики послужили принятые руководством страны в 1991 г. Акт об энергосбережении и Акт о подводе в электросеть энергии от возобновляемых источников. Такие же законодательные акты были приняты в Дании и Испании, что позволило этим странам не только создать промышленное производство ветроустановок. Но и занять лидирующее положение в мире на ВЭС, так и по продажам оборудования на мировом рынке ветроустановок.

    По данным на последний год  XX в., установленная мощность ветроэлектростанций в Европе составила:

    - в Германии – 4 443 МВт

    - в Дании – 1 761 МВт

    - в Испании – 1 225 МВт

    - в Великобритании  - 353 МВт.

    Новым толчком к развитию ветроэнергетики, как уже отмечалось, явилось подписание Киотского протокола, по которому все западноевропейские страны должны снизить выбросы СО₂ в атмосферу. С 1 апреля 2000 г в Германии вступил в действие утвержденный бундестагом новый закон, направленный на развитие возобновляемых источников энергии. В частности, новый закон определяет дифференцированные тарифы на электроэнергию, производимую ветроэнергетическими установками. За такую   электроэнергию   в  течение  5 лет, начиная   с даты   приемки ВЭУ в эксплуатацию должна  выплачиваться компенсация. Если ВЭУ будет установлена в море, то период компенсации увеличивается до 9 лет.

    Опираясь на благоприятные экономические условия и на успехи машиностроителей, ветроэнергетика в ФРГ в последние годы развивается бурными темпами. Крупные ВЭУ мощностью 1 МВт и выше выпускают фирмы Vestas, GET и Tacke. Первая из них уже освоила выпуск ВЭУ на 1,5 МВт. а в стадии монтажа в 2000 г. находились 2 генератора: четырехполюсный  асинхронный и асинхронный с возможностью регулирования скольжения на 10%. Фирма GET выпускает ВЭУ мощностью по 1,2 МВт с двухлопастной турбиной диаметром 61 м.

    Пятнадцать таких установок входят в состав комплекса Wismar. Следующая разработка – трехлопастная турбина мощностью 1,5 МВт для комплекса на земле Маклебург, Передняя Полирания.

    Фирма Tacke имеет в своем активе ВЭУ мощностью 1,5 МВт с высотой опоры 112,5 м. Демонстрационные испытания установки подтвердили несомненные ее преимущества перед серийными ВЭУ мощностью 600 кВт.

    Если оценивать успехи ветроэнергетики по максимальной мощности отдельных агрегатов, то бесспорным лидером являются США. В 1999 г. на ВЭС Big Spring в штате Texas были сданы в эксплуатацию 4 ВЭУ единичной мощностью по 1650 кВт. Отметка верхней точки установки достигает 113 м, что выше статуи Свободы. Основные рабочие характеристики этих ВЭУ впечатляют:  диаметр ротора ветроколеса – 66 м, площадь размаха ротора – 3 420 м². ВЭУ рассчитана на следующие параметры: начальная скорость ветра – 4 м/с, оптимальная -  17,7 м/с, максимальная – 25 м/с. Чтобы избежать энергетических потерь, связанных с возможным взаимодействием и влиянием работы отдельных ВЭУ друг от друга, расстояние между ними принято равным 3,5 диаметра ротора в направлении ветра и 10 диаметрам ротора между рядами ВЭУ в группе.

    Несколько ранее на этой же ВЭС были введены в эксплуатацию 46 ВЭУ мощностью по 600 кВт каждая. С учетом новых вводов полная мощность Big Spring составила 34 МВт. Проектный годовой объем производства электроэнергии на этой электростанции составляет 117 млн. кВт·ч. Полная стоимость сооружения ВЭС Big Spring оценивается в 40 млн. долларов США, т.е. более 1 170 долларов/кВт установленной мощности. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС  Big Spring, оказалась значительно ниже, чем на ранее построенных электростанциях, но все же  заметно выше той цены, которую планировала получить компания Enron Wind Power Corp. (входящая в недавно обанкротившийся холдинг Enron Corp.).

    Необходимо отметить, что в США, как и в Европе, за последние 15 лет себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС, удалось снизить в несколько раз. Объясняется это, прежде всего, внедрением новых технологий. Так, лопасти ветроколес, изготовляемые в настоящее время из стеклопластика или древесины, пропитанной эпоксидной смолой, удалось увеличить до 40 м и даже более, как в случае с Big Spring (в 80-е гг. рекордными считались лопасти в 13 м). Это позволило в последние годы строить более мощные ветроустановки, а значит – увеличивать выработку электроэнергии. Если в начале 80-х гг. средняя единичная мощность ВЭУ составляла 50 кВт, то к концу 90-х гг. она возросла  до 500 – 750 кВт. За счет увеличения мощности себестоимость электроэнергии снизилась в 3 раза. Другие новшества, определившие повышение экономичности, -  переменная частота вращения  ветроколес, а также системы управления ВЭУ, реагирующие на изменение скорости ветра (ветроустановка Zond Z мощностью 750 кВт).

    Значительных успехов в области ветроэнергетики добилась Дания. Этому способствовали как благоприятные географические условия, так и тарифная политика правительства страны. Подсчитано, что в Дании при среднегодовой скорости ветра чуть более 5 м/с удельная годовая производительность ВЭУ достигает 937 кВт·ч/м². В настоящее время в структуре потребления первичных энергоресурсов заметная величина (7%) приходится на нетрадиционные источники энергии, к которым относится и ветровая электроэнергетика.

    Общее число ВЭУ в Дании насчитывает 3 300 агрегатов. Здесь построена первая ветроэлектростанция “морского базирования”,  состоящая из 11 ВЭУ мощностью по 450 кВт каждая. Предполагается, что в 2002 г. на побережье Северного моря будет установлен парк ВЭУ общей мощностью 160 МВт, 180 ВЭУ по 2 МВт.

    Дания  является важнейшим экспортером оборудования для ветроэлектростанций. Подставки ВЭУ осуществляются в США (штат Калифорния), Индию, некоторые страны Европы. Изготовлением ВЭУ занимаются, как правило, предприятия сельскохозяйственного машиностроения: Vestas, Nordtank, Bonus, Nordex, Micon. Завод Vestas, например, ежегодно продает ВЭУ общей мощностью до 800 МВт. В настоящее время Дания осуществляет до 70% мирового оборота рынка ветроэнергетических установок.

    Современные турбины рассчитаны на ресурс 120 тыс. ч в течение 20 лет. Для расширения диапазона снимаемой мощности на некоторых ВЭУ устанавливаются по 2 электрогенератора разной  мощности: 600/150, 1000/200 или 1650/300 кВт.

    По заявлению датских специалистов, стоимость ВЭУ при увеличении мощности от 150 до 600 кВт (в 4 раза) возрастает только в 3 раза. Поэтому увеличение мощности приводит к снижению удельных капитальных затрат. По последним данным, средняя удельная стоимость мощностей в ветроэнергетике при мощности ВЭУ 500 – 600 кВт составляет около 1000 долларов США/кВт, а для установок единичной мощностью 2000 кВт удельная стоимость снизится до 800 – 900 долларов США/кВт.

    Эксплуатационные расходы также связаны с мощностью ВЭУ. В диапазоне  мощностей 500 – 1000 кВт затраты составляют в среднем 0,5 – 0,9 цента/кВт·ч. У старых машин с 10-летним сроком эксплуатации этот показатель возрастает до 1,3 – 1,7 цента/кВт·ч.

    В Дании разработаны и предлагаются к продаже блочные ветродизельные установки с контрольно-регулирующим блоком и дизелем малой мощности для резервирования и надежного регулирования. Такие  установки обеспечивают работу одиночной ВЭУ мощностью от 100 кВт и группы ВЭУ мощностью до 7 МВт, которые работают в изолированных сетях или в сетях с малой пропускной способностью.

    Успешно развивается ветроэнергетика ив других европейских странах. Испанская компания EHN (наиболее крупная в мире группа в области возобновляемых источников энергии) в 1999 г. ввела в эксплуатацию несколько мощных ВЭУ. В двух испанских провинциях – Наварра и Альбасете – на ветроэлектростанции производится 22% потребляемой электроэнергии.

    В Швеции ВЭС общей мощностью 500 кВт размещены в море, вблизи острова Готланд. Проектируются и более  мощные системы ВЭС – на 48 и 750 МВт.

    Великобритания к наземным ВЭУ общей мощностью 353 МВт добавила в 2001 г. первую ВЭС морского базирования.

    В Японии до последнего времени ветроэнергетика  была развита слабо. Первые ВЭС были введены в эксплуатацию только в середине 70-х гг. В конце 90-х гг. установленная мощность ВЭС составляла 30 МВт, а единичная мощность комплекса ВЭУ не превышала 3,5 МВт. Между тем использование ВЭС было признано целесообразным для электроснабжения островов, небольших удаленных от опорных точек сети потребителей. Специалисты подсчитали, что увеличение единичной мощности ВЭУ позволит снизить стоимость электроэнергии.

    Самая крупная в Японии ВЭС – ветропарк, расположенный в северной части острова Хонсю. Здесь действуют 11 ВЭУ общей мощностью 3 375 кВт. Недавно на острове Хоккастдо началось сооружение ветряной фермы из 30 генераторов мощностью по 1 МВт. Стоимость проекта 47,2 млн. долларов США.

    Определенные успехи в области ветроэнергетики имеют и наши соседи из ближнего зарубежья. В частности, днепропетровская фирма “Энергетические системы и оборудования” (Украина) разработало ряд ветроэлектрических установок мощностью от 20 до 420 кВт. Выбранная вертикально-осевая схема ВЭУ ЕСО-0020 мощностью 20 кВт принцип  работы, которой основан на использовании подъемной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси, является альтернативой  традиционным для Европы и США горизонтально-пропеллерным конструкциям. Благодаря своим особенностям (независимость от направления ветра, тихоходность турбины, простота конструкции) вертикально-осевые установки по ряду характеристик превосходят горизонтально-пропеллерные. ВЭУ рассчитана на рабочий диапазон ветров от 5 до 20 м/с, срок службы – 20 лет. Стальная опорная башня имеет высоту 14 м., материал ветротурбины – алюминиевый сплав, частота вращения – от 40 до 95 об/мин. При среднегодовой скорости ветра 6,2 м/с выработка электроэнергии составит 60 тыс. кВт·ч/год.

    По таким же  схеме выполнена ВЭУ ЕСО-0420, но мощность этой вертикально-осевой ВЭУ – 420 кВт. Стальная опорная ферма имеет высоту 35 м, а диаметр турбины из алюминиевого сплава – 26 м. ВЭУ рассчитана на номинальную скорость ветра 13 м/с. Но может работать в диапазоне скоростей от 5 до 25 м/с. При среднегодовой скорости ветра 6,2 м/с ВЭУ ЕСО-0420 вырабатывает 1400 тыс. кВт·ч/год. Как и в первом случае, эта ВЭУ может работать параллельно с энергосистемой или дизельным источником энергии.

    В России промышленное производство ветроэнергетических установок отсутствует. Между тем еще в 80-е гг. было показано, насколько перспективно создание мощных ветроэнергетических комплексов  на Севере РФ. Был разработан проект уникального комплекса – ветроэнергетической системы Кольского полуострова, который протянется на 1 100 км. В нем предусматривается 238 ветроэнергетических групп, каждая из которых будет состоять из ВЭУ новой конструкции и имеет мощность не менее 1000 МВт.

    В наши дни ветроэнергетические установки могут быть востребованы владельцами фермерских хозяйств, удаленных от сетей  электроснабжения.

Как уже известно, идеальные места для "приручения" энергии ветра – это протяженные, продуваемые со всех сторон равнины, расположенные на возвышенностях. Именно на таких территориях среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с, что обеспечивает эффективную работу ветроэнергетических установок.

Беларусь богата подобными территориями. По оценкам специалистов, наиболее перспективными для развития ветроэнергетики в Беларуси являются центральная и западная часть Минской области, а также Витебская возвышенность. Более того, потенциал любой точки на территории Беларуси в отношении ее перспективности или неперспективности для ветроэнергетики может быть определен с помощью соответствующих расчетов, базирующихся на информации ветроэнергетического атласа страны и специального банка данных. Вопросы окупаемости и экономической эффективности ветроэнергетических установок – сфера, где еще не расставлены все точки над "и". Если подходить к этой проблеме глобально, учитывая перспективы постоянного удорожания энергетических ресурсов и их грядущий дефицит, ветроэнергетическая техника однозначно является перспективным вложением средств. Однако в нашей стране как-то не принято строить долгосрочные планы и активно развивать направления науки и техники, противоречащие традиционному мышлению.

Отечественные сторонники ветроэнергетической концепции считают, что окупаемость таких систем не превышает 4 лет.

Одна из первых ветроэнергетических установок в стране находится на выезде из Минска в могилевском направлении. Она была разработана минской фирмой "Аэролла". Другая ветроустановка, разработанная НПГП "Ветромаш", работает в Заславле, который практически является плацдармом для отработки новых решений по энергосбережению в Беларуси. В поселке Занарочь подготовлена площадка для установки ветростанции. И, наконец, в качестве положительного примера в области энергосбережения не недавно проходившей итоговой коллегии Минжилкоммунхоза было названо  сооружение ветровой установки в Городке. Здесь такая система вырабатывает энергию на случай аварийного выхода из строя обычных систем энергообеспечения.

Энергетическая программа РБ до 2010 г. основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Особенно перспективными считается их использование в сочетании с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды. Применение ВЭУ для водоподъема, электроподогрева воды и электроснабжения автономных потребителей  к 2010 г. предполагается довести до 15 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 9 тыс. тонн условного топлива в год.

Одним из  высокоприоритетных белорусских Национальных проектов, включенных в Мировую солнечную программу на 1996 – 2005 гг., является создание двух экспериментальных промышленных ветроэнергетических установок мощностью 1,5 МВт каждая.

Беларусь располагает значительными ресурсами энергии ветра. По данным Государственного комитета по гидрометеорологии  РБ и НП ГП “Ветромаш”, среднегодовая скорость ветра на территории республики составляет 4,3 м/с. При этом на четверти пригодной для внедрения ВЭУ территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с. Такая скорость ветра соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники. При правильном выборе места установки ветроагрегата (на возвышенных открытых местах, на берегах водных массивов и т.п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6 – 7 м/с.

Максимально прогнозируемый ветроэнергетический ресурс территории республики составляет более 280 млрд. кВт·ч в год. Используя только 1% территории под ветроэнергетику уже в 2010 г. позволило бы выработать около 3 млрд. кВт·ч энергии. При условии 25% использования годового времени на  выработку  такого  количества  энергии потребуется до 8 000  ветроустановок мощностью от 100 до 500 кВт, которые позволили бы сэкономить ежегодно до 1 млн. тонн условного топлива. Окупаемость подобной ветротехники составляет около 4 лет.

Ветротехнические показатели ветроагрегатов, рекомендуемые к внедрению на территории Республики Беларусь

Все эти  проекты свидетельствуют о том, что в Беларуси для внедрения концепции ветроэнергетики на практике есть не только бесплатный ветер и благоприятные климатические предпосылки, но и люди, которые понимают, что лучше заботиться о будущем сегодня, чем обречь своих детей на бесперспективное завтра.

Литература:

1. Морозевич А.Н. «Основы информатики» - М.: ООО «Новое издание», 2001 г.;

2. Баштавой В.Г. и др. «Основы энергосбережения» - М.: Тэхналогия, 1999 г.;

3. Журнал «Энергоэффективность» №8 - М.: Минск, 2002 г.;

4. Журнал «Энергоэффективность» №10 - М.: Минск,2002 г.;

5. Журнал «Энергоэффективность» №1 - М.: Минск,2001 г.;

6. Журнал «Энергоэффективность» №11 - М.: Минск,2001 г.;

7. Лебедев Б.П., Матко П.М. «Энергия мира» - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.