VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Ветроэнергетика стала ответом на растущую потребность мира в электричестве и источниках возобновляемой и чистой энергии. Все больше людей считают энергию ветра лучшим способом генерирования электричества, чем электростанции, которые работают на атомной энергии, энергии воды или угля.

Важность развития ветроэнергетики в нашей стране определяется тем, что 70% территории России, где проживает 10% населения, находится в зоне децентрализованного энергоснабжения, которая практически совпадают с зоной потенциальных ветроресурсов [1].

Внедрение новых ветроэнергетических мощностей происходит в России достаточно медленными темпами: на конец 2005 года их было - 14 МВт, 2006 - 15,5 МВт, 2007 - 16,5 МВт. В среднем темпы прироста составляют 8% в год - это один из самых низких показателей в мире, в Китае, для сравнения, он составляет ~ 60%, США ~ 30%, Испании ~ 20% [1].

За несколько лет до финансового кризиса в России стала создаваться нормативно правовая база развития рынка ветроэнергетических установок. Первым шагом в вопросе законодательного регулирования отрасли стало принятие в конце 2007 года поправок к Федеральному закону «Об электроэнергетике», заложивших рамочные основы развития отрасли. Это событие способствовало как формированию институциональных условий функционирования рынка, так и повышению инвестиционной привлекательности отрасли [1]. Суммарная мощность ВЭУ сегодня в России составляет около 16 МВт. На данный момент в стране действуют 9 ветроэнергетических станций установленной мощностью от 0,2 до 5,6 МВт. Средняя за год выработка электроэнергии всеми ВЭУ составляет 12,8 кВт ч/год.

Распоряжением Правительства РФ № 1 от 8 января 2009 г. утвержден показатель развития альтернативных источников энергии - 4,5% от общей выработки электроэнергии к 2020 г.

Значительные ветроэнергетические ресурсы в России имеют высокий потенциал развития, который характеризуется:

• общий ветропотенциал страны оценивается в 2000-3000 ТВтч /год;

• экономический ветропотенциал оценивается в 200-300 млрд кВтч /год;

• для освоения экономического ветропотенциала требуется строительство ВЭС суммарной установленной мощностью 100-150ГВт;

• для размещения ВЭС установленной мощностью до 150 ГВт требуются участки земли общей площадью около 1% территории страны [5].

Структуру рынка альтернативной энергетики на 2009 год и прогнозы на 2020 год можно оценить по рис. 1.

Рис. 1 – Структура рынка альтернативной энергетики по установленным мощностям в России (внешний круг – 2009 год, внутренний круг – 2020 год)

По данной диаграмме можно отметить то, что в перспективе в России планируется развивать все виды возобновляемых источников энергии. Доля ветроэнергетики в общем балансе составит 11 %, что, тем не менее, в общем объеме производства будет все же намного выше, чем по итогам 2009 года.

Ветроустановки в России, при их значительном развитии, могут быть применимы в различных масштабах: в частных и производственных целях. На планете ежегодно устанавливают их в большом количестве суммарной мощностью, которая составляет примерно 200 МВт. Такую же мощность может выработать любая крупная гидроэлектростанция. Ветрогенераторы в перспективе можно установить в тех районах, где имеется подключение к действующим электрическим сетям, на открытой местности, которая может быть в виде полей,степей, гор и побережья.

Нет сомнения, что большие и малые ВЭС могли бы высокоэффективно работать на значительных пространствах России, так как страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, который оценивается в 40 млрд кВт.ч электроэнергии в год. В России подходящими для использования и развития ветряных электростанций являются многие районы, например, регионы Нижнего Поволжья, Тюменская, Архангельская, Новосибирская область, Краснодарский край, республика Хакасия, Карелия, Коми и другие. Подробнее рассмотрим ветроэнергетику Краснодарского края.

Краснодарский край, исходя из своих климатических и природных особенностей, развивающейся экономики, развитой сетевой инфраструктуре и наличием существенного дефицита энергоснабжения является одним из наиболее привлекательных регионов для развития возобновляемой энергетики.

Обширные прибрежные зоны Черного и Азовского морей, а также протяженная область Армавирского ветрового коридора (зона интенсивных постоянных по силе и направлению ветров) представляют большой интерес для развития ветроэнергетики.

Ейский район — один из интенсивно развивающихся районов Краснодарского края, в котором энергоснабжение осуществляется через подстанцию 100МВт от тупиковой высоковольтной линии электропередачи ОАО "Кубаньэнерго" за счет генерирующих мощностей ОАО "Ростовэнерго", что в итоге не обеспечивает необходимой надежности качества энергоснабжения района. А экологически чистое энергоснабжение развивающегося Краснодарского края, являющегося одним из крупнейших рекреационных районов страны, обеспечит развитие ветроэнергетики, что приведет к снижению энергодефицита и повышению надежности и качества энергоснабжения потребителей в условиях подключения к существующей тупиковой линии электропередачи местной энергосистемы ОАО "Кубаньэнерго". В конце 2007 г в Ейском районе был установлен и пущен в эксплуатацию комплекс, из трех 70 метровых мачт, оснащенных современным автоматизированным измерительным оборудованием для сбора, обработки и передачи ветроинформации.В 2009 году была начата установка мачт в Приморско-Ахтарском, Абинском, Темрюкском, Успенском, Каневском районах Краснодарского края.

На данный момент в Краснодарском крае разработана и практически реализуется долгосрочная краевая программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности Краснодарского края на период 2011 – 2020 годов».

В рамках реализации подпрограммы «Развитие возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», федеральной программы «Модернизация электроэнергетики России на период до 2020 года» при взаимодействии с министерством энергетики и промышленности, подготовлены к реализации проекты по строительству и эксплуатации ветровых электрических станций (ВЭС) мощностью 398 МВт на площадках Благовещенская, Геленджик, Анапа и Ейск.

Ветряная электростанция представляет собой группу ветрогенераторов, которые объединены в единую систему и используют для производства электроэнергии силу ветра. Принцип работы ВЭС основан на том, что ветер вращает лопасти конструкции, а редуктор приводит в действие электрогенератор. Электроэнергия, получаемая таким образом, транспортируется по кабелю через силовой шкаф, который расположен в основании ВЭУ.

Мачты ветряных энергетических установок, имея значительную высоту, позволяют использовать силу ветра в полной мере. При проектировании ВЭС в местности, где её планируется разместить, заранее проводят исследования, определяющие силу и направления ветра при помощи приборов - анемометров. Распределение скоростей показано на рис. 2. Данные, полученные в результате исследований, позволяют точно определить сроки окупаемости ветряной электростанции, что прежде всего интересует инвесторов. Как известно отбор мощности начинается со скорости ветра около 4 м/с, а номинальная мощность (номинальная) достигается при скорости 14-16 м/с.

Рис. 2 – Распределение среднегодовой скорости ветра на территории России

Рис. 2 показывает, где в России целесобразна установка ветроэлектростанций, на территории Краснодарского края преобладает скорость ветра допустимая для строительства ветроустановок. Существует много конструкций, предназначенных для использования энергии ветра, начиная с парусов. Их классификация и подробное описание приведены в [2].

Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.

На сегодня наибольшее распространение нашли ВЭУ с горизонтальной осью вращения, на которой закреплены лопасти (типа пропеллера). Они развивают наибольшую мощность [3].

Лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения - крыльчатые ВЭС - еще их называют ветродвигателями традиционной схемы. Минимальная скорость ветра для горизонтальноосевых ветроустановок равна 4 – 5 м/с при мощности, составляющей более 200 кВт, и 2 – 3 м/с , если мощность составляет свыше 100 кВт.

Рис. 3 – Крыльчатая ветроэлектростанция

Ветроустановка вращается на максимальной скорости, если лопасти расположены перпендикулярно направлению потока воздуха, (такая конструкция показана на рис. 3). Для этого в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС - крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, которые работают на сеть, - электронная система управления рысканием. Соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора) только небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока, а редуктором оснащают станции большей мощности.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС, ветроагрегаты которых бывают двух- или трехлопастными, выше, чем у других установок, не зря 90 % рынка занимают именно они.

Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения (представлены на рис. 4), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется [4]. Ветродвигатели не создают большого шума, так как они тихоходны. В них применяются многополюсные электрогенераторы, которые работают на малых оборотах, в итоге это позволяет применять простые электрические схемы, исключая риск потерпеть аварию при случайном порыве ветра.

Рис. 4 – Виды карусельных ВЭС

Так же применяются ВЭС новой конструкции, их лопасти вращаются внутри колеса с подшипником, установленным на основании из трех опор.

Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. Подобные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии [4].

Так же существуют роторные ВЭУ, имеющими лопасти такого же профиля, что и крылья "дозвуковых" самолетов, которые в свою очередь, перед тем как опереться на подъемную силу, должны разбежаться. Такой же принцип работы и у ветроустановок. Согласно предварительным расчетам, ортогональные установки смогут вырабатывать электрическую энергию мощностью от 50 до 20 000 кВт.

В Краснодарском крае необходимые участки земли для строительства ветропарков отведены, а схемы выдачи мощности ветроэлектростанций в энергосистему с учетом баланса мощности и электроэнергии утверждены.

Ветроэнергетике обладает всеми преимуществами, характерными для альтернативной энергетики в целом. Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами, а ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками.

Так же источник энергии – ветер – является неисчерпаемым.

Но помимо неоспоримых преимуществ, ветроэнергетике присущи недостатки, которые замедляют ее развитие во многих регионах России, среди которых и Краснодарский край.

К таким недостаткам можно отнести следующие факторы.

В основном ветер дует неравномерно, а следовательно, и генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться с переменной частотой, а то и полностью прекратится, и это может случиться как раз тогда, когда потребность в нем будет наиболее ощутимой. В итоге практически каждый ветроагрегат работает с максимальной мощностью лишь небольшую часть времени, а в оставшееся же время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, от которых напрямую зависит цена производимой энергии.

Не стоит забывать еще и о том, что уже ничего другого на этой территории делать будет нельзя. При работе ветродвигатели создают значительный шум, и что хуже всего — генерируют вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, нарушают сложившийся образ жизни птиц и зверей, а при большом скоплении установок на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков, что может повлечь за собой непредсказуемые последствия.

По экспертным оценкам, технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 6000 млрд. кВтч/год. Экономический потенциал составляет примерно 31 млрд. кВтч/год. Россия - одна из самых богатых в этом отношении стран - самая длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних рек, озер и морей - все это наиболее благоприятные места для размещения ветропарков [1].

Что касается Краснодарского края, то, несмотря на имеющиеся недостатки, рынок ветроэнергетики имеет высокий потенциал развития.

Для достижения объема потребления ветроэнергетических установок планируется ввод в период с 2011 по 2020 годы генерирующих объектов с суммарной установленной мощностью до 25 ГВт.

Вследствие чего объем выработки электроэнергии на основе ветроэнергетических установок к 2020 году должен составить приблизительно 80 млрд. кВтч.

Развитие законодательной и технической базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливноэнергетических ресурсов уже сегодня определяют технико-экономические преимущества электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики, в том числе ветровой, увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс.

Литература:

1. Пармухина Е. «Рынок ветроэнергетики» / Научный журнал «Электротехнический рынок», № 1-2. – 2010. – 32 с.

2. Твайделл Д., Уэйр М. «Возобновляемые источники энергии». М.: ЭАИ, 1990. – 239 с.

3. Баскаков А. П., Мунц В. А. «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». М.:Издательский дом «Бастет», 2013. – 368 с.

4. Кицис С. И., Герман О. И., Паутов Д. Н. «Общая электроэнергетика». ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2009. – 225 с.

5. Кулаков А. В «Ветроэнергетика в России: проблемы и перспективы развития» / Научный журнал «Энергосовет». – 2011.

Код для цитирования: Скопировать