Ветроэнергетика и солнечная энергетика

6.1. Общие сведения о ветроэнергетике

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175... 219 тыс. ТВт×ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20... 25×10⁹ кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % этой энергии. В настоящее же время эта цифра значительно меньше. Использовать ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древности.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием центробежной силы воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга приходят новые воздушные слои.

Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и в течение года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различным нагревом воды и суши вследствие их разной теплоемкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремятся учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии — классических странах ветряных мельниц.

Многие видные русские исследователи, такие как профессор. 11.Е.Жуковский и академик С.А.Чаплыгин, внесли большой вклад вразвитие ветряных двигателей.

Ветроэнергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии (ветротехника) и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. Ветроэнергетическая установка состоит: из ветроагрегата (ветродвигатель в комплекте с одной или несколькими рабочими машинами); устройства, аккумулирующего энергию или резервирующего мощность; в ряде случаев дублирующего двигателя (чаще теплового); систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки.

Различают ветросиловые установки и ветроэлектрические станции.

Ветродвигателем называют двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространенные) с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные.

В основном ветродвигатели применяют в ветроэлектрических станциях.

В настоящее время ветроэнергетика — одна из самых бурно развивающихся отраслей мировой электроэнергетики. В 1960 — 1970-е гг. большинство эксплуатируемых в Европе ВЭУ имело мощность до 20 кВт, затем — от 100 до 250 кВт; средняя мощность ВЭУ, выпущенных в 2002 г. в Германии, составила 1100 кВт. Тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, по-видимому, сохранится и далее. Так, фирма «De Wind» планирует создание агрегатов мощностью 3... 5 МВт. По прогнозам общая мировая мощность ВЭУ к 2006 г. составит более 36 000 МВт.

Современные мощные ВЭУ более экономичны, у них ниже стоимость 1 кВт установленной мощности, Ветроколесо мощных ВЭУ находится на большой высоте, где скорость ветра выше (рис. 6.1, а). Выше у них и коэффициент удельной выработки электроэнергии К _удявляющийся обобщенной характеристикой ВЭУ (рис. 6.1, б):

где W _год — годовая выработка электроэнергии, кВт×ч; nR² – ометаемая поверхность ветроколеса, м².

Рис. 6.1. К характеристикам ВЭУ:

а — зависимость среднегодовой скорости ветра от высоты над поверхностью земли; б — зависимость средней удельной выработки электроэнергии ВЭУ в Дании от мощности установки

Считается целесообразной установка ВЭУ в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с.

На бурное развитие ВЭУ указывают данные роста установленных мощностей ветроустановок в ряде стран мира, приведенные в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Установленная мощность ветроустановок, МВт, в странах мира, подключенных к элекрическим сетям

Страна	1998 г.	2001 г.	Страна	1998 г.	2001 г.
Дания			Португалия
Германия			Россия	4,15
Италия			Канада
Испания			США
Швеция			Китай
Англия			Япония
Финляндия	17,4		Всего в мире		24 000

Важным шагом в развитии ветроэнергетики в России, обладающей огромным потенциалом, можно считать сдачу в эксплуатацию в 2002 г. самого крупного ветропарка в стране мощностью 5,1 МВт (одна установка мощностью 600 кВт и 20 — по 225 кВт), построенного в Калининградской области. Кроме того, построена Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт (10 агрегатов по 250 кВт) и строится Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт (22 агрегата по 1 МВт).

6.2. Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

Кинетическая энергия Э _кин, Дж, воздушного потока со средней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение F, м², перпендикулярное v, и массой воздуха т, кг, рассчитывается по формуле

Если в (6.2) в качестве т взять секундную массу воздуха, кг/с, то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха, Дж/с, или Вт, т.е.

Секундная масса воздуха определяется по формуле

где r — плотность воздуха, кг/м³.

Обычно в расчетах в качестве r принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t = 15 °С, р = 760 мм рт. ст. (101,3 кПа).

Для F= 1 м² получаем значение удельной мощности ветрового потока N _уд, Вт/м² со скоростью v, м/с:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Значения N _удв зависимости от скорости ветра составляют:

v, м/с
ДГ Вт/м2.	4,9	16,55	39,2	76,6

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ВЭУ, которые можно классифицировать по следующим признакам:

·по мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

·числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух, трех- и многолопастные;

·отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока—с горизонтальной осью вращения, параллельной вектору скорости (рис. 6.2, а), или с вертикальной осью вращения, перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 6.2, б).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором и генератором 2, башня 3 и фундамент 4.

Башня — чаще трубообразная, реже — решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В ВЭУ чаще всего используются: синхронные и асинхронные (генераторы), реже асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рис. 6.2. Виды ветроэнергетических установок:

а — ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б — ВЭУ с вертикальной осью вращения; 1 — рабочее колесо; 2 — гондола с редуктором и генератором; 3 — башня; 4 — фундамент установки

Для каждой ВЭУ можно выделить три характерные рабочие скорости ветра:

· 0< v<v_p^min – мощность ВЭУ равна нулю;

· v_p^min < v < v_p^N – мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

· v>v_p^max – мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v_p^min до v_p^N полезная мощность ВЭУ N _ВЭУ, кВт, при заданных скоростях ветра v, м/с, на высоте башни Н _б, м, и диаметре ротора ВЭУ D ₁ м, рассчитывается по формуле

где N _уд — определяется по формуле (6.4), Вт/м²; F _ВЭУ – ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, м², (определяется по формуле h_Р»0,9 – КПД ротора; h_г» 0,95 – КПД электрогенератора; z — коэффициент мощности, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от мощности воздушного потока (в практических расчетах z = 0,45).

После подстановки всех указанных значений в (6.5) получим следующую формулу для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ v_p^min находится обычно в пределах 2,5...4 м/с a v_p^N — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4... 5 м/с и 12... 15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания башни не превышает 100 дБ. Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной его плотностью р. При этой для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диаметром ротора D ₁, м, стремятся увеличить высоту башни Н _б, м, так как скорость ветра увеличивается с высотой.

Чем больше расчетная скорость ветра, тем больше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве расчетной скорости применяется среднегодовая скорость ветра v ₀, м/с, которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает v_p^min (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает v_p^max (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю и использование ВЭУ может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра больше, чем летом; в полдень больше, чем утром).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков—сотен) в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80000, 6218 и 31 ТВт×ч. На сегодняшний день практическое использование указанных ресурсов ветра в России незначительно. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 6 м/с, то использование ВЭУ там весьма перспективно.

Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 6 м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ — в объединенной или локальной системе электроснабжения или для питания автономного потребителя, а также конкретные социально-экологические и экономические характеристики рассматриваемого региона.

Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных и приравненных к ним территорий страны.

Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет 30 % и более в разных странах. На 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире составила 24927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37 %).