Ветровые электростанции

Человек начал использовать энергию ветра еще до то­го, как научился «укрощать» реки. Энергия ветра отличается своей доступностью и дешевизной. Ее годовые потенциальные запасы на Земле огромны. Они в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара и составляют, таким обра­зом, около 3300-10¹² кВт-ч. Правда, считается возможным прак­тически использовать лишь 10—20 % этих запасов. Но и это много. В некоторых районах Земли энергетический потенциал ветровой энергии соизмерим с энергией солнечного излучения.

СССР также обладает большими потенциальными запасами энергии ветра, равными в мощностном эквиваленте примерно 11-10⁹ кВт, что в 40 раз больше установленной мощности всех электростанций страны на начало 1981 г.

Принцип использования ветровой энергии прост, широко из­вестен и не нуждается в пояснении. Отметим, однако, что ветро­вой поток, воспринимаемый ветровым колесом, определяется лишь его диаметром и не зависит от числа лопастей.

Установлено, что мощность воздушного потока N_B._n, кВт, про­ходящего через сечение площадью F, перпендикулярное направ­лению этого потока, выражается формулой

N_вп=0,0049pv³F, (8.1)

где v—скорость воздушного потоки, m^j/c; F — площадь сечения, м²; р — плотность воздуха, зависящая от его температуры и ат­мосферного давления, кг/м³.

Мощность, развиваемая ветроэнергетической ус­тановкой (ВЭУ), отличается от мощности, развиваемой воз­душным потоком, потерями, связанными с преобразованием ме­ханической энергии в электрическую (в редукторе и генераторе), а также потерями энергии ветрового потока в процессе взаимо­действия его с лопастями ветрового колеса. Последние определяются так называемым коэффициентом исполь­зования энергии ветра. Выражая площадь F в (8.1) через диаметр ветрового колеса D, м, получаем мощность ветро­энергетической установки, кВт:

ЛГ_вэу = 0,00386pvD²ξη_pη_r, (8.2)

где η_p и η_r — к. п. д. соответственно редуктора и генератора.

Будем называть ветровой электростанцией (ВЭС) совокупность нескольких ВЭУ.

Подсчитано, что коэффициент использования энергии ветра для крыльчатых ветродвигателей доходит до 0,48, а общий к. п. д. ветроустановки имеет несколько меньшее значение. Од­нако неравномерность скорости ветра, неопределенность времени возникновения и продолжительности его, пространственная рассредоточенность ветровой энергии долгое время не позволяли широко использовать ее в системной энергетике. В условиях энергетического кризиса в ряде стран в последнее время рассмат­ривается ветроэнергия с новых энергоэкономических позиций, в частности с позиций возможности получения дополнительной вы­работки электроэнергии и соответствующей экономии органичес­кого топлива.

Для устранения влияния непостоянства ветровой энергии мно­го усилий направляется на изыскание способов ее резервирова­ния, в частности использование аккумулирования. В последнее время предложено множество разнообразных аккумуляторов энергии, в том числе устройств для электролиза воды. Получае­мые кислород и водород хранятся под давлением в изолирован­ных резервуарах и при необходимости могут быть использованы (например, в топливных элементах).

Известны также механические, пневматические, электрохи­мические, тепловые, гидравлические и другие аккумуляторы. Все чаще обсуждаются в печати заманчивые перспективы совместной работы ВЭС и ГАЭС.

Следует сказать, что аккумулирование энергии, видимо, в бли­жайшее время не сможет снять все недостатки ВЭС, связанные с непостоянством ветровой энергии, и работа таких электростан­ций в энергосистеме будет иметь ограничения. Поэтому ведутся исследования, направленные па дальнейшее совершенствование аэродинамических, механических и электрических характеристик отдельных ветроэнергетических установок для работы их в сос­таве ВЭС в энергетической системе. Однако последняя не всегда заинтересована в получении от ВЭС мощности и электроэнергии. Так, в ночное время (см. § 3.5) современные энергосистемы смо­гут использовать ВЭС, очевидно, лишь в том случае, если это не повлечет за собой недопустимого снижения нагрузки на ТЭС. Вместе с тем это не исключает возможность работы ВЭС в ноч­ное время на потребителей, функционирующих в режиме акку­муляторов энергии.

Заслуживает внимания и работа ВЭС в энергосистеме по свободному графику. В этом случае энергетическая сис­тема будет играть роль демпфирующего аккумуля­тора в пределах возможности временного снижения ее нагру­зочного резерва (см. § 8.4). Работая в таком режиме, ВЭС позволяет или экономить топливо в системе (за счет соответст­вующего снижения нагрузки ТЭС), или получать дополнитель­ную выработку электроэнергии.

В результате проведенных исследований по оптимизации про­филя лопастей ВЭУ удалось повысить выработку электроэнергии ветрового колеса примерно в 2 раза по сравнению с «ветряками» 60-х годов. В настоящее время при аэродинамически совершен­ных ВЭУ фронт ветра площадью 2,6-10⁶ м² может обеспечить мощность 150 МВт при скорости-ветра не менее 6—8 км/ч. Од­нако при создании современных ВЭС пока еще повсеместно ори­ентируются на небольшие единичные мощности агрегата (0,2—3 МВт).

При сооружении мощных ВЭС (несколько сотен меговатт), предназначенных для работы в энергетических системах, прихо­дится учитывать ряд особенностей, вытекающих из специфики работы ветрового колеса отдельно взятой ВЭУ. К числу их сле­дует отнести, прежде всего, размещение ветроэнергетических установок по территории ВЭС. Дело в том, что ветровые колеса ВЭУ оказывают взаимовлияние на формирование воздушных потоков всей ВЭС, создавая взаимопомехи, приводящие к поте­рям энергии. Поэтому размещение ВЭУ должно производиться при условии минимума взаимовлияния ВЭУ при любых возмож­ных направлениях ветра и с учетом возможно меньшей отчуж­даемой ими территории. Учет этих противоречивых требований вызывает некоторые затруднения.

В настоящее время не ясен вопрос об экономической эффек­тивности системной ветроэнергетики, но не вызывает сомнений, что эта эффективность со временем, по мере повышения цен на топливо, будет расти. Сейчас ВЭС конкурентоспособны лишь с небольшими дизельными и тепловыми электростанциями, рабо­тающими на привозном топливе.

Ветровые электростанции не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнер­гетика экологически абсолютно «чиста». Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что<для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только из­менят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории. Мощ­ное вращающееся ветровое колесо создает экранирующее дейст­вие, аналогичное тому, которое оказывает возвышенность пло­щадью несколько десятков квадратных километров и высотой 150—200 м. При работе ВЭС возникают помехи для приема те­левизионных и радиопередач Есть и другие формы воздействия ВЭС на окружающую среду.

Несмотря на недостатки ветроэнергетики, перспективы ис­пользования ВЭС в ряде развивающихся и промышленно разви­тых стран оцениваются довольно высоко. Так, до данным докла­да Шведского института метеорологии и гидрологии к 1990 г. с помощью ВЭС будет вырабатываться около 20 % всей электро­энергии страны (по другим данным—10%). Исследуется возможность использования энер­гии ветра при мощности ВЭС до 400 МВт.

По данным американских исследований энергетический потенциал ветров над конти­нентальной частью и побережь­ем США в 10 раз превышает прогнозные потребности США в электроэнергии в 2000 г., т. е. если бы в США начали широ­ко использовать энергию ветра, то к 2000 г. 20 % потребности США в электроэнергии можно было покрыть за счет ВЭС.

В США в настоящее время исследования в области ветро­энергетики проводятся в рам­ках национальной программы. Их целью является разработка и сооружение опытных образ­цов трех типов быстроходных ВЭУ с ветровыми колесами диаметром 38, 60 и 90 м. В пер­вом случае ВЭУ развивают мощность 100—200 кВт, во втором—500—2000 кВт и в третьем —2500—3000 кВт. В настоящее время построено и находится в опытной эксплуатации несколько ветроэнергетичеких установок мощностью от 100 до 2500 кВт. Продолжаются исследования по определению технико-экономических показате­лей при работе ВЭС большой мощности в энергетических си­стемах.

В США разработан принципиально новый тип ВЭС, позво­ливший значительно увеличить установленную мощность агре­гата. Ветродвигатель состоит из цилиндрической полой башни (рис. 8.11), в стенках которой имеются вертикальные щели, снабженные створками (жалюзи). Открытая сверху башня име­ет полое конусное основание с проемами на его боковых стенках для входа воздуха. В горловине основания размещается воздуш­ная турбина, вал которой через маховик и муфту соединяется с вертикальным валом генератора.

Принцип действия такого агрегата сводится к следующему. Воздушный поток, поступая внутрь башни через открытые с наветренной стороны створки в тангенциальном направлении, обтекает цилиндрические стенки башни, в которых жалюзи за­крыты, и, приобретая круговое спиральное движение, завихряется. При этом окружная скорость слоев по мере приближения к выходу из башни все время увеличивается вследствие умень­шения радиуса вращения. В результате этого внутри башни образуется вихрь, в центре которого создается область понижен­ного давления — «стержень». Наружный воздух через проемы на боковых стенках конусного основания под действием избыточ­ного давления устремляется в основание «стержня» и, переме­щаясь вверх, вращает лопасти воздушной турбины, а следова­тельно, и вал генератора.

Такой вихревой ветродвигатель может работать при слабом ветре и даже при его отсутствии. В этом случае достаточно иметь перепад температур на дне и в верхней части башни не менее 10° С. Для подогрева воздуха в основании башни устанавлива­ется подогревательная камера, в которой используется, напри­мер, теплая вода конденсаторов ТЭС, солнечная энергия и т. п. Подобный ветровой двигатель может обеспечить значитель­ную единичную мощность и противостоять разрушительным воз­действиям ураганных ветров (при открытых створках ветер, про­дувая башню насквозь, не оказывает давления на ее стенки).

Широкий интерес к ветроэнергетике наблюдается в ФРГ, Японии, Австралии, Дании, Нидерландах и многих других стра­нах. Во многих проектах ВЭС предусмотрены различные сред­ства аккумуляции энергии для обеспечения бесперебойной пода­чи энергии при недостаточной скорости ветра, что удорожает установку. Себестоимость получаемой электроэнергии пока еще выше, чем в среднем на ТЭС и тем более на ГЭС. В настоящее время разрабатываются новые типы ВЭУ мощностью в десятки и сотни мегаватт.

В Советском Союзе ветроэнергетика начала развиваться в 20-е годы, когда в ЦАГИ был организован отдел ветродвигате­лей. Еще до Великой Отечественной войны были сконструирова­ны разнообразные ветросиловые установки. В 1931 г. в Крыму была построена опытная ВЭС мощностью 100 кВт. Но во время войны станция была разрушена. В 1938 г. на вершине Аи-Петри было начато строительство ВЭС мощностью 5 МВт, но война не дала возможности завершить ее строительство.

В настоящее время в Советском Союзе ведутся интенсивные работы по созданию ВЭУ различного назначения. Разработано более 10 типов ветродвигателей малой мощности, используемых, главным образом, в сельском хозяйстве. Строятся ВЭС мощ­ностью от 400 до 1250 кВт. Одна из таких электростанций по­строена, например, и колхозе «Авангард» близ Целинограда.

Имеется предложение о размещении ВЭС на бычках плотин ГЭС. Свободные площади позволяют установить на них фермы с ветровым колесом диаметром около 30 м. На высоте несколь­ких десятков метров (высота плотины плюс, по крайней мере, полтора размера диаметра колеса), а то и нескольких сотен метров (Нурекская, Братская, Саяно-Шушенская, Токтогульекая, Ингурская ГЭС и др.) всегда дуют достаточно интенсивные ветры. Расчеты показывают, что можно получить дополнитель­ную мощность в десятки мегаватт. Правда, есть и трудности, вызываемые взаимовлиянием ВЭУ, снижающим их энергетичес­кую эффективность, и особенно тогда, когда направление ветра совпадает с осью плотины или близко к ней.

Хотя система получит в общем незначительную дополнитель­ную мощность, ню эта мощность может быть направлена на ак­кумулирование гидроэнергии, использование которой, конечно, будет более эффективным, чем ветровой.