Использование энергии ветра

Использование энергии ветра

Ветроустановки переживают в последнее десятилетие период своеобразного возрождения. К началу 2000;х годов стало очевидным, что ветровая энергия обладает гораздо большим потенциалом, чем можно предположить, и способна в известной мере помочь решению энергетической проблемы. Сейчас национальные программы по использованию энергии ветра приняты более чем в 12 странах, ветроэнергетические агрегаты небольшой мощности выпускают свыше 100 фирм.

Как известно, энергия ветра зависит главным образом от его скорости: увеличение последней вдвое обусловливает рост энергетического потенциала в 8 раз. Расчеты показывают, что энергия ветра при скорости 19,2 км/ч на 70% выше, чем при скорости 16 км/ч. Практически разность всего в 3,2 км/ч может означать успех или провал в осуществлении проекта по использованию энергии ветра.

В среднем скорость ветра колеблется от 9,6 до 32 км/ч. Установлено, что для наиболее рентабельного получения электроэнергии скорость ветра должна быть не меньше 19,2 км/ч. Как показывают результаты изучения ветровых режимов планеты, такие условия имеются во многих районах мира. Что же касается использования водяных насосов, то для их работы достаточна скорость 12,8 км/ч. Очень важно совпадение периодов максимальной потребности в энергии и времени, когда отмечаются наибольшие скорости ветра. Так, в Северной Европе, где пиковые нагрузки в энергосистемах приходятся на зимний период, когда наблюдаются сильные ветры, использование этого источника энергии может оказаться более экономичным, чем в восточной части Соединенных Штатов, где наибольшие нагрузки характерны для летних месяцев. Исследования показывают, что ветровая энергия шире распространена, чем энергия традиционных источников. Лишь несколько стран полностью лишено этого источника, в то время как далеко не все государства располагают запасами нефти, угля, урана.

Одно из основных направлений использования энергии ветра в настоящее время — перекачка воды. Расходы на эксплуатацию водяных насосов с дизельными и электрическими двигателями настолько возросли, что они стали малодоступны для значительной части населения развивающихся стран. Сейчас в пользовании жителей всех стран находится почти 1 млн. механических насосов, работающих на ветровой энергии, и большинство из них — в США, Австралии, Аргентине. Хотя нет достоверных сведений о количестве получаемой таким образом энергии, но можно полагать, что оно невелико, поскольку в среднем мощность механических насосов не превышает 0,5 кВт. Однако во многих районах, где использование ветронасосов — единственный экономичный способ доставки воды, значение их трудно переоценить.

В большинстве конструкций таких ветродвигателей устанавливают от 4 до 20 лопастей, у наиболее распространенных из них ось винта расположена горизонтально. Выпуск подобных насосов в значительных количествах налажен в Аргентине, Австралии, Новой Зеландии, Филиппинах, США, Западной Германии. Рост заказов отмечен с начала 70-х годов, приходятся они в основном на те районы, где традиционно полагаются на использование энергии ветра.

По оценкам Министерства энергетики США, ветроэнергетические установки на 60% дешевле в эксплуатации, чем дизельные насосы (при условии, что скорость ветра— 12,5 км/ч, стоимость бензина — 40 центов за 1 л, а объем перекачиваемой ветроэнергетическим агрегатом воды в год — не менее 2 млн. л).

Чтобы ускорить внедрение в практику ветроэнергетических установок, необходимы всесторонние научные исследования и массовое производство агрегатов. При финансовом содействии ООН и правительства Колумбии в этой стране создан Институт по проблемам развития сельских районов, который стал крупнейшим центром в области создания ветродвигателей. В течение шести лет разрабатывали такие системы, которые были бы эффективны при небольших скоростях ветра и пригодны для орошения небольших площадей или водоснабжения отдельных хозяйств. Сейчас в Колумбии ежегодно выпускается 1400 ветродвигателей, которые поступают в пользование сельского населения. Специалисты высоко оценивают эту программу с точки зрения уникальности ее масштабов и подходов к решению проблемы.

Аналогичные работы проводятся и в Лондоне группой по развитию промежуточной технологии. Созданные здесь конструкции имеют большие размеры и стоимость, чем двигатели, производимые в Колумбии. Такие модели пущены в производство в Кении, предполагается начать их выпуск в Индии и Пакистане. При этом, как показывает практика, водяные насосы целесообразнее выпускать на местах, поскольку в этом случае снижается закупочная стоимость всей установки. Необходимо также налаживать производство запасных частей, организовывать систему обслуживания ветронасосных устройств и подготовку специалистов.

С помощью ветра производят и электроэнергию. Турбины небольшой мощности способны развить от 1 до 15 кВт. Специалисты считают, что в США типичный по стандартам дом, расположенный в местности, где скорость ветра превышает 19,2 км/ч, может полностью обеспечить себя электроэнергией с помощью турбины мощностью 3…5 кВт. Стоимость установки и монтажа всей системы колеблется от 5 до 20 тыс. долл., причем ожидают, что в течение текущего десятилетия она значительно снизится. Сейчас электроэнергия, полученная с помощью ветра, обходится довольно дорого — более 20 центов за 1 кВт-ч. Однако, как показали расчеты американских специалистов, при массовом производстве (сейчас даже крупнейшие фирмы выпускают в год лишь по нескольку сот установок) можно добиться снижения стоимости электроэнергии до 5 центов за 1 кВт-ч в районах со скоростью ветра 19,2 км/ч. Существенным фактором в снижении цены на ветроагрегаты должно стать уменьшение затрат на производство аккумуляторов.

Сейчас распространяется другой принцип использования энергии ветра — совмещение работы ветроэнергетических агрегатов с центральными электросетями. В этом случае турбину подключают к сети, куда поступает вырабатываемый ею ток. В случае безветрия владелец турбины использует ток из сети, будучи, таким образом, и производителем, и потребителем энергии. Главная задача, стоящая перед компаниями, которые выпускают ветроэнергетические агрегаты, — снизить издержки производства и повысить надежность установок. Как показывает практика, некоторые турбины очень недолговечны: срок их службы не превышает 5 лет. По мнению специалистов, этот срок должен быть не менее 20 лет.

Следует упомянуть еще об одной тенденции в использовании энергии ветра. В установках, названных тепломешалками, механическую энергию ветра направляют на нагрев воды, циркулирующей в отопительной системе. Расчеты показывают, что в районах; где отмечаются постоянные ветры, такие установки очень скоро могут оказаться дешевле систем, ориентирующихся на традиционные виды топлива. Особенно подходящи они для использования в Канаде и Северной Европе, где в зимние месяцы постоянно дуют довольно сильные ветры. ветроустановка перекачка электроэнергия скорость Производство турбин малой мощности под силу небольшим фирмам, но создать мощные и технически сложные машины могут лишь крупные компании. В США в эту сферу вовлечены такие промышленные гиганты, как Boeing, General Electric, Alkoa, Lockhead, Westinghouse и т. п. Сейчас основные усилия ученых и конструкторов сосредоточены на разработке моделей турбин мощностью 1000 кВт. Такая установка способна обеспечить электроэнергией около 800 домов. Вместе с тем некоторые ученые считают, что турбины, мощность которых выше указанной, уже нерентабельны в силу ряда технических факторов.

Больших успехов в освоении энергии ветра добились сейчас такие страны, как Дания, Великобритания, Швеция, Нидерланды, США. Так, в Великобритании к концу 80-х годов ожидается ввод в действие ветро-электрогенераторов общей мощностью свыше 3 тыс. кВт. Наряду с созданием различных конструкций таких агрегатов специалисты работают над осуществлением идеи «ветровых ферм», т. е. строительства в определенном месте целого комплекса установок. Особенно благоприятны для этого условия в горных и прибрежных районах. Например, считают, что энергетический потенциал ветров, дующих в Северном море у побережья Великобритании, настолько велик, что он может успешно конкурировать с таким источником энергии, как нефть из морских месторождений.

В США разработана обширная федеральная программа развития ветроэнергетики, предусматривающая создание как маломощных (до 100 кВт), так и мощных (более 100 кВт) двигателей. Программа включает в себя следующие разделы: планирование, управление, анализ; исследование ветровых режимов в разных районах страны; инженерные разработки, создание и внедрение промышленных установок. Общая сумма ассигнований с учетом капиталовложений в строительство ветроэнергетических установок в 1979, 1980 и 1981 гг, составляет соответственно 59,6; 63,4 и 87 млн долл.

Научно-исследовательские работы по развитию мощных ветродвигателей ведутся в испытательном центре Министерства энергетики, расположенном в Роки-Флэтс (штат Колорадо). Испытывают устройства различных типов: с вертикальной и горизонтальной осью винта, двумя и большим числом лопастей, выходом электрической или механической энергии. Для маломощных двигателей основная проблема — это приведение в соответствие вырабатываемой и потребляемой энергии: степень корреляции между этими параметрами влияет на энергопотоки и, следовательно, на экономичность двигателей. Исследования по данной проблеме, выполненные в Роки-Флэтс, показали, что мощные системы рентабельны при стоимости электроэнергии не выше 20 центов за 1 кВт-ч (цены 1980 г.) и времени эксплуатации не менее 10 лет.

Один из классов малых установок с улучшенной технологией — карусельные ветродвигатели с вертикальной осью — испытывают в лаборатории Сандия (г. Альбукерк). У этих установок коэффициент использования энергии ветра меньше, чем у вертикальнолопостных, однако простота конструкции, надежность и низкие эксплуатационные расходы делают эти установки весьма привлекательными. Испытания показали, что стоимость электроэнергии при существующей технологии для таких двигателей составляет 4…6 центов за 1 кВт-ч и зависит от многих факторов, в том числе и от стоимости автоматических устройств управления работой ветродвигателя, расходов на его обслуживание и т. п.

Небольшие ветродвигатели разрабатывают также частные фирмы по контрактам с Министерством энергетики. Сейчас заключены договоры с 13 организациями на создание ветродвигателей мощностью 1; 4; 6; 8; 15 и 40 кВт. Некоторые характеристики опытных образцов новых ветроустановок приведены в таблице. Министерство энергетики ограничивается общими требованиями к системам, полагая, что позднее промышленность с учетом конъюнктуры на внутреннем рынке сама определит лучшие образцы. В 1980 г. опытные установки были доставлены в Роки-Флэтс для испытаний. Технико-экономические характеристики ветродвигателей проверяют и в условиях эксплуатации в некоторых сельских районах США. В основном это крыльчатые ветродвигатели типа «Pinson С2Е2», «Enertech 1500», «Whirlwind A-240».

Испытания не выявили каких-либо неразрешимых проблем, связанных с охраной окружающей среды при использовании энергии ветра. Основные затруднения — это потенциальные электромагнитные помехи, и в особенности телевизионные помехи, возникающие при отражении электромагнитных волн от лопастей винта. Такое отражение может ослабить видеосигнал на расстоянии 1 — 2 км от установки.

С этой проблемой специалисты неожиданно столкнулись в штате Род-Айлспд, где был установлен двигатель мощностью 200 кВт. Нормальная работа телеприемников на участке была обеспечена с помощью кабельной системы передачи. Разработан метод расчета размеров зоны помех, который предполагается использовать в будущем при размещении ветровых электрических станций.

Усилия специалистов направлены не только на анализ технических характеристик систем в реальных условиях, но и на изучение таких проблем, как контроль шумов, меры безопасности, позиция общественности и др. Наиболее важным экологическим последствием может стать гибель ночных птиц в результате столкновения с лопастями ветродвигателя. Этого можно избежать, если обеспечить освещение станций. Уровень шума для больших ветродвигателей находится в пределах допустимого, однако в непосредственной близости от установки возникают чрезмерно интенсивные инфразвуковые колебания.

Меры по обеспечению безопасности ветроустановок включают в себя обязательные профилактические осмотры всех действующих и строящихся ветродвигателей. В будущем их предполагается дополнить введением специальных автоматических систем, останавливающих станции в случае аварии. Другие меры по технике безопасности предусматривают устранение кабелей и смотровых площадок поблизости от станций, установку защитных оград, защиту наземного оборудования и специальное освещение. Вопрос о том, насколько приемлемо строительство комплекса ветродвигателей, по мнению некоторых специалистов, остается пока открытым. В соответствии с имеющейся точкой зрения схема размещения этих установок на расстоянии, в 10 раз превышающем диаметр основания одной установки, удовлетворяет разумным эстетическим критериям.

Согласно прогнозам развития энергетики США, к 2000 г. общее потребление энергии в стране составит (143 — 304) 1015 кВт.ч. Пятую часть этого количества предполагается обеспечить с помощью возобновляемых источников (по мнению некоторых специалистов, это максимальное количество энергии, которое такие источники могут дать), в том числе 10% должны дать ветроэнергетические установки. Для этого потребуется 20 тыс. крупных ветроустановок мощностью 1 МВт каждая и несколько большее число станций малой мощности. Таким образом, к 2000 г. на ветроэлектрических станциях США должно производиться примерно столько же энергии, сколько вырабатывают сейчас все ГЭС страны. Это эквивалентно ежегодной экономии 57,24 млн. м3 нефти (количество сэкономленного топлива зависит от того, какой его вид используется в районах строительства ветроэлектростанций).