Обзор используемых в работе НВИЭ

Ветроэнергетика в настоящее время является одной из наиболее динамично развивающихся технологий генерации электроэнергии. В отдельных местах с хорошими условиями ветра ветроэлектростанции (ВЭС) уже сейчас экономически выгодны и конкурентоспособны.

Несмотря на глобальный экономический кризис, мощность установленных в 2009г. ветроустановок составила рекордное значение в 38 ГВт, таким образом, их суммарная мощность в мире составила 159 ГВт.

Лидером рынка ветроустановок в 2009 г. стал Китай, который установил 13,8 ГВт новых мощностей, достиг 25,8 ГВт. США установили в 2009 г. около 10 ГВт, европейский лидер Германия установила 1,9 ГВт, достигнув суммарной мощности 25,8 ГВт. К другим европейским странам, активно развивающим ветроэнергетику, относятся Испания, Италия и Франция (рис. 2).

Рис. ТТ. Мощность ветроустановок в 10 ведущих странах-лидерах

За 2009 г. 27 стран ЕС установили более 10 ГВт установленной мощности ветроустановок, достигнув 75 124,9 МВт, суммарная выработка электроэнергии составила около 131 ТВт·ч (в 2008 г. – 119,7 ТВт·ч).

Оценивая тенденцию развития ветроэнергетики в ЕС, европейские эксперты отмечают заметное превышение целей, определенных в «Белой книге», подготовленной Европейской Комиссией. Так, при установленном в данном документе показателе 40 ГВт фактический показатель ЕС в 2010 г. составил 84,34 ГВт.

Ветрогенераторные установки выпускаются различных конструкций и типов. Они классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна – вертикально-осевой (рис. 3).

Рис. ТТ. Ветроустановки с горизонтальной (а) и вертикальной (б) осью вращения

Каждая из указанных систем характеризуется как своими преимуществами, так и недостатками.

Большинство мощных современных ветроустановок относятся к ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Ветрогенераторы современного типа имеют трехлопастное ветроколесо, направляемое на ветер с помощью специальных двигателей, управляемых компьютерами. Высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 100 м и выше. Ветроколесо совершает 10–20 поворотов в минуту.

В некоторых системах присутствует подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:

- изменяемый шаг лопаток турбины, который позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;

- высокая мачта позволяет добираться до более сильных ветров. Нужно иметь в виду, что в некоторых районах сила ветра увеличивается на 20 % и, соответственно, энергетическая выгода на 34 % при повышении на каждые 10 м;

- высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха. В системах с вертикальной осью вращения и большинстве типов воздухоплавательных ветрогенераторов часть системы работает против набегающего потока воздуха, что, отчасти, ведет к снижению эффективности.

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

- необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку могут достигать 20 % сооружения конструкции и стоимости всего оборудования;

- для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высококвалифицированные сотрудники, в результате их производство осуществляется лишь в ограниченном количестве стран;

- возмущения в радиосигналах и связи из-за их размеров;

- необходимость установки системы направления оси на ветер.

Ось ротора генераторов ВЭУ с вертикальной осью вращения располагается вертикально, в результате необходимость направления оси на ветер отсутствует – установка использует поступающий с любого направления воздух. Особенно эффективными ветрогенераторы с вертикальной осью вращения показали себя в областях с переменным ветром. Примерами реализации подобного рода систем являются турбины Дарье, Савониуса, «жиромельница» и др.

Достоинствами систем с вертикальной осью являются:

- возможность применения конструкции меньших размеров;

- отсутствие механизмов ориентации по ветру;

- рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание;

- невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает производить электричество при скорости ветра в 2–2,5 м/с);

- позволяет строительство в местах, где невозможно возведение высоких сооружений;

- во время работы производит меньше шума по сравнению с системами с горизонтальной осью.

К недостаткам систем с вертикальной осью относятся следующие:

- из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной;

- поскольку некоторые элементы системы находятся внизу и, соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора.

Как отмечалось выше, подключаемые к сети современные установки мощностью свыше 1 МВт обычно реализуются на основе системы с горизонтальной осью, установки небольшой мощности могут иметь, в зависимости от инженерных решений, как горизонтальную, так и вертикальную ось.

Каждая ветроустановка характеризуется рядом параметров, характеризующих работу ветроустановки при различных скоростях ветра:

- стартовая скорость ветра (3–4,5 м/с), при которой ветроустановка начинает вращаться;

- номинальная скорость ветра (10–13 м/с), при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

- максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается (20–25 м/с).

Если ветер очень слабый, его энергии недостаточно, чтобы запустить ветроустановку. При достижении стартовой скорости ветроустановка начинает производить электрический ток. При повышении скорости ветра увеличивается и мощность ветровой установки до номинальной величины. При дальнейшем повышении скорости ветра избыток мощности должен регулироваться. В современных системах используют 2 основных типа регулирования мощности:

- pitch-регулирование – изменение угла атаки лопасти в соответствии со ско-ростью ветра;

- stall-регулирование – угол атаки неизменен, но эффективность отдельных участков лопасти падает при возрастании скорости ветра.

В результате после достижения номинальной мощности ветроустановки при увеличении скорости ветра рост мощности не происходит либо изменяется незначительно.

При сильном штормовом ветре (свыше 25 м/с) установка автоматически отключается, иначе возникает угроза ее разрушения.

Среднегодовая скорость ветра на месте нахождения установки является решающим фактором с точки зрения экономической целесообразности установки ветроагрегата. Особое значение при этом имеет зависимость мощности ветроустановки от скорости ветра, которая оказывается пропорциональной третьей степени скорости ветра. Например, если принять мощность ветроустановки при скорости ветра 10 м/с за 100 %, то при скорости 11 м/с мощность увеличивается на 33 % (1,1³ = 1,331).

Таким образом, 10%-ное увеличение скорости ветра повышает мощность установки на треть. Это имеет практическое значение для поиска месторасположения ветроустановок.

Часто представителями комитетов по защите окружающей среды предъявляются претензии, что ветроустановка на вершине холма является большим вторжением в ландшафт и поэтому нужно выбирать места, расположенные в низине. Но эти места имеют, как правило, ограниченную скорость ветра и монтаж на них ветроустановок имел бы серьезные последствия для использования ветровой энергии.

Если на вершине в среднем в году скорость ветра 6,5 м/с, а в низине – 4,5 м/с, мощность снижается более чем на 65 %. Поэтому использование энергии ветра при таком месторасположении установок было бы неэффективным. Если бы ветряки устанавливались в низинах (скорость ветра на 30 % ниже), то потребовалось бы утроить количество установок, чтобы получить равную прибыль. Это приводит к неэффективному использованию ресурсов.

Ветровые установки комбинируются в единые энергетические системы – ветроэнергетические станции (ветропарки), состоящие из нескольких десятков установок. Мощность такой станции иногда составляет сотни мегаватт.

Рис. ТТ. Ветроэнергетическая станция Roscoe Wind Farm, Техас, США

Для обеспечения потребностей в энергии небольших объектов строят установки меньшей мощности. В случае автономной работы они комбинируются с аккумулятором, накапливающим избыток энергии и отдающим его при необходимости [3].

Биоэнергетика в последние 10-15 лет стала самостоятельной отраслью «большой» энергетики. Cуществует несколько направлений:

1) использование древесины и соломы злаковых культур для производства биогаза;

2) производство газового топлива из твёрдой биомассы (пиролиз и газификация);

3) производство этанола (в двигателях внутреннего сгорания используется 26% этанола в смеси с бензином, в дизельных - 3%);

4) производство биоводорода, который представляет собой превосходное чистое топливо;

5) производство биодизельного топлива;

6) производство биогаза. [http://www.energosovet.ru/stat673.html]

Древесина является одним из древнейших источников энергии для человека, но в странах ЕС ее использование переводится на новый технологический уровень. В 2009 г. в Евросоюзе величина первичной энергии, полученной при сжигании твердой биомассы, составила 72,5 млн т н. э., что на 3,2 % превышает показатель 2008 г.

В период с 2001 по 2009 гг. в Европейском союзе наблюдался устойчивый рост (в среднем около 14,7 % в год) производства электроэнергии из биомассы, с 20,8 в 2001 до 62,2 ТВт∙ч в 2009 г. (на 7,4 % выше уровня 2008 г.). За последние пять лет количество установок для сжигания твердой биомассы практически удвоилось. В Европе эксплуатируется около 800 крупных установок по сжиганию биомассы общей мощностью 7,1 ГВт.

Лидерами этого направления являются Германия (11,217 млн т н. э.), Франция (9,795) и скандинавские страны – Швеция (8,608) и Финляндия (6,473 млн т н. э.).

Существует несколько источников получения древесной биомассы:

- биомасса сопутствующей лесной продукции. Потери древесины происходят при сплошных рубках, повале леса, его трелевке и погрузке. Как правило, не используются пни и ветки. При обработке и распилке древесины образуются щепки, опилки, стружки и другие источники биомассы. Энергетическая ценность 1 тонны условного топлива (т у. т.) эквивалентна приблизительно 2,33 т древесины при влажности 10 %.

- дрова. При проведении плановых рубок с одновременной уборкой естественного отпада в лесах лесного фонда республики ежегодно заготавливается около 6 млн м³ дровяной древесины.

- отходы лесозаготовок. Экономически и экологически целесообразный объем использования отходов лесозаготовок в энергетических целях составляет около 0,5 млн м³, т. к. часть лесосечных отходов используется для технологических нужд, а также оставляется в лесу для сохранения и улучшения плодородия почвы и биологического разнообразия согласно требованиям нормативных правовых актов и лесной сертификации

- твёрдые производственные и бытовые отходы. На одного жителя планеты в среднем приходится до 300 кг отходов в год, часть из которых пригодна для получения энергии.

- сельскохозяйственные остатки. Наиболее перспективными для биоэнергетики культурами являются кукуруза, рапс, многолетние травы, зерновые и зернобобовые культуры.

Объемы перерабатываемой древесины на лесопильных и деревообрабатывающих производствах республики позволяют в настоящее время ежегодно получать и использовать в энергетических целях до 1,5 млн м³ отходов деревообработки, самого дешевого сырья для производства древесной топливной щепы. Отходы деревообработки являются одновременно сырьем и для производства гранулированного древесного топлива – экспортной продукции, пользующейся повышенным спросом на зарубежном рынке [3].