Мощностные характерстики (Р) и КПД (ηо)
ветроэлектрической установки мощностью от 4 до 30 кВт [4]
|
Скорость ветра, м/с
|
Мощность (Р) и КПД (ηо) ветроэлектрической установки
|
ВТН8-10
Россия
|
ВЭУ-30
Россия, Швеция
|
GEV10-25
Франция
|
АВЭУ6-4
СССР
|
|
Р, кВт
|
ηо
|
Р, кВт
|
ηо
|
Р, кВт
|
ηо
|
Р, кВт
|
ηо
|
5
6
7
8
9
10
11
12
13
|
1,4
3,0
4,7
7,0
9,4
10,0
10,0
10,0
10,0
|
0,36
0,45
0,45
0,44
0,42
0,32
0,24
0,15
0,14
|
4,7
8,2
13,0
18,5
24,0
30,0
30,0
30,0
30,0
|
0,40
0,40
0,40
0,38
0,35
0,32
0,24
0,18
0,14
|
1,0
3,0
6,0
9,0
12,0
15,0
19,0
22,5
27,5
|
0,16
0,29
0,36
0,36
0,34
0,31
0,29
0,27
0,26
|
0,6
1,2
1,8
2,7
3,6
4,0
4,0
4,0
4,0
|
0,28
0,32
0,30
0,30
0,29
0,28
0,17
0,13
0,10
|
Расчёты показывают, что максимальную энергию ветряной двигатель даёт тогда, когда ротор уменьшает скорость ветра на одну треть.
Считается, что на Земле полезно может быть использовано только 5 % энергии ветра.
Ветродвигатели крыльчатые имеют коэффициент использования энергии ветра до 0,48, карусельные или роторные и барабанные – не более 0,15.
В настоящее время ВЭУ находят всё более широкое применение для выработки электроэнергии. Однако известно, что нерегулярность и колебания мощности ветрового потока вынуждают усложнять электротехническую часть ВЭУ системами автоматического регулирования и дублирования электроснабжения объектов. Вследствие этого стоимость «ветроэнергетического» киловатт-часа возрастает примерно в 1,5 раза.
В России наибольшей величины средняя скорость ветра достигает на побережье морей и океанов (8-9 м/с), снижаясь в континентальных областях до 2-5 м/с.
Высокие скорости ветра (более 6 м/с) характерны для прибрежных районов Архангельской и Мурманской областей, Ямало-Ненецкого и Таймырского автономных округов, Магаданской области, Чукотки, Камчатки, Сахалина, островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, побережий Балтийского и Чёрного морей, а также некоторых горных районов Северного Кавказа и Полярного Урала. Зоны средних скоростей ветра (4-6 м/с) охватывают некоторые горные районы, побережья крупных озёр (Каспийского, Ладожского, Байкала), долины больших сибирских рек (Оби, Енисея, Ангары, Лены), а также территории Европейской части страны, Сибири и Дальнего Востока, примыкающие к зонам наибольших скоростей ветра. Зона слабых ветров (менее 4 м/с) охватывает большую часть континентальных районов страны.
Россия имеет гигантский ветровой потенциал – только в части сухопутных ресурсов он составляет примерно 21 % от общего объёма мировых ресурсов ветра.
Несмотря на большой потенциал, установленная мощность ВЭУ, действующих в России, составляет 13,2 МВт. Эта цифра несопоставима с мощностью ВЭУ, действующих в развитых странах. В Германии – мировом лидере ветроэнергетики – мощность ветроустановок составляет более 22 ГВт, в США – 17 ГВт, в Испании – 15 ГВт [5].
Для преобразования и стабилизации параметров электроэнергии, выдаваемой большими ВЭУ (установленной мощностью 1 МВт и более, со стоимостью 1 кВт установленной мощности до $1000) в общую систему электроснабжения, требуется достаточно сложная аппаратура, применение которой более чем на 30 % увеличивает стоимость станций.
Таким образом, ВЭУ большой мощности стоят дорого в значительной мере из-за аппаратуры для кондиционирования напряжения, подаваемого в общую сеть [6].
На рисунке 2 приведена характеристика одной из ВЭУ европейского уровня.
Рис. 2. Характеристика эффективности ветряной электростанции
Чешского энергетического агентства (EKIS CAE) мощностью 500 кВт
На Европейском континенте в условиях, например, Чешской Республики пригодными для ветроэнергетики являются области, в основном расположенные высоко над уровнем моря, обычно на высоте более 500 метров над уровнем моря, хотя плотность атмосферы на высоте 500 м на 5 % меньше чем на уровне моря. На меньшей высоте над уровнем моря средняя годовая скорость ветра низкая (2-4 м/с).
Для малых ВЭУ, размещаемых во внутренних районах (вдали от морей) минусом является то, что они располагаются на небольших высотах, а значит, находятся в ветровом потоке низкой плотности по сравнению с крупными ВЭС (рисунок 3) [7].
Рис. 3. Средние скорости ветра для различных мест в зависимости от высоты
Как известно, обобщённым показателем эффективности любых электрических станций является Коэффициент использования установленной мощности (Киум), определяемый как отношение фактически выработанной за год электроэнергии к электроэнергии, которую могла бы выработать электростанция, если бы она весь круглый год работала с полной (номинальной) мощностью. Для традиционных электростанций Киум зависит от графика нагрузки, задаваемого диспетчером, от надёжности оборудования и, следовательно, времени, затраченного на аварийный ремонт; времени, требуемого на обслуживание и плановые ремонты.
Среднее значение Киум для электростанций России составляет 50 %, для атомных электростанций – 75-78 %. Для ВЭУ Киум зависит, кроме всех вышеуказанных факторов, ещё и от ветровых условий, т. е. поступления ветровой энергии, которая, как известно, весьма непостоянна. Поэтому среднее значение Киум (таблица 8) в странах-лидерах оценивается величиной порядка 25 %.
Среднее значение Киум ветроустановок стран-членов OECD (%)
|
Страны
|
2000 г.
|
2001 г.
|
2002 г.
|
2003 г.
|
2004 г.
|
Австралия
Канада
Дания
Германия
Япония
Испания
Норвегия
США
|
19,4
32,4
20,0
17,5
14,8
24,3
27,2
26,9
|
31,1
29,1
19,2
13,6
16,3
22,5
23,7
19,6
|
37,5
28,6
19,3
15,1
17,1
21,6
8,8
26,1
|
42,0
28,6
20,4
14,7
18,7
23,1
25,7
20,9
|
21,1
35,0
24,1
17,3
19,4
21,6
30,4
24,8
|
К сожалению, в таблице 8 приведены общие сведения о Киум без разделения на системы (автономные станции, установки), не зависящие от распределительной сети (grid-off) и системы (станции, подключенные к сети), поставляющие электроэнергию в сеть (grid-on). Однако цифры красноречиво говорят о необходимости наличия резервного источника, если требуется бесперебойное электроснабжение.
Тем не менее, сравнительно низкий Киум – один из существенных недостатков ветровой энергетики, который нивелируется, по крайней мере, двумя факторами: экологическим (нет эмиссии СО2 и не нужно топливо) и эксплуатационным. Последний фактор состоит в том, что на ветроэлектрической станции (ВЭС) мощностью, например, 200 МВт, укомплектованной ВЭУ единичной мощностью 2 МВт, выход из строя одной ВЭУ означает отключение одной сотой части мощности ВЭС. Тогда как выход из строя энергоблока мощностью 200 МВт традиционной ТЭС означает потерю 200 МВт.
Другим, весьма преувеличенным недостатком ВЭУ, считается «невозможность» прогнозировать выработку ВЭУ. Однако опыт стран-лидеров ветроэнергетики говорит о том, что этот прогноз возможен с вероятностью 95 %, т. е аналогичный гидростанциям. Это объясняется определёнными закономерностями в повторяемости скоростей ветра, а также накоплением статистических данных по выработке ВЭУ за год, месяц и дни месяца [8].
При выборе площадки для установки ВЭУ исходят из особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т.д.), а в горных районах – особенностей микро- и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т. п.).
Для ВЭУ, установленных в условиях, способствующих резкому увеличению скоростей ветра (высокий берег большой реки, резко выделяющаяся над окружающей местностью возвышенность, гребневые зоны хребтов, межгорные долины, открытые для сильных ветров, прибрежная полоса морей и океанов, больших озёр и водохранилищ в пределах 3-5 км) при отсутствии данных наблюдений скорость ветра следует увеличивать на 20 % по сравнению с принятой для данного района.
Для уточнения ветрового потенциала, в первом приближении, можно пользоваться также таблицей 9 [3].
Поправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра
для высот более 10 м (за исключением горных местностей)
|
Высота насыпи, м
|
до 5
|
5 - 10
|
11 - 20
|
21 - 30
|
|
Поправочный коэффициент
|
1,00
|
1,17
|
1,39
|
1,63
|
И в завершение, о забытом способе использования энергии ветра.
Поскольку ВЭУ – это довольно сложная конструкция, гораздо легче построить просто тепловую машину с приводом от ветра, так называемую «джоулевую» мешалку. Света от неё конечно не будет. Но будет тепло. Эти ветровые теплогенераторы можно производить в любой механической мастерской. Делается простое ветроколесо – из жести, листового железа, текстолита, дерева. Напоминает оно колесо колёсного парохода, только вращаться будет в горизонтальной плоскости. Половина колеса прикрывается кожухом, чтобы ветер воздействовал только на одну часть, иначе вращения не будет. На кожухе – флюгер, чтобы колесо само ориентировалось по ветру. Лучше делать колесо метра три в диаметре. Лопасти укрепить растяжками для жёсткости или уголки подварить. Колесо ставится на металлическом или деревянном шесте над крышей. Этот шест передаёт вращение колеса и нижним концом уходит в бочку с водой, которая находится в доме. В бочке с водой – перегородки, приваренные к стенкам, на шесте – лопасти. Между подвижными лопастями и перегородками – небольшие зазоры. Вращаясь, лопасти нагревают воду. Обычное очень простое устройство для перевода механической работы в тепло. Вода в бочке может нагреваться до кипения. Горячую воду можно отводить и направлять прямо в отопительные батареи, она будет циркулировать, и греть дом. В конструкции должен быть предусмотрен стопор, чтобы её не сломало при сильных ветрах.
А теперь немного истории.
Если возьмёте наши самые ходовые (в СССР и современной России) купюры – червонцы, то там нарисованы плотины электростанции. И не зря. Лицо СССР очерчивалось, с одной стороны, его величественными плотинами и рукотворными морями, с другой – залитыми этими морями лучшими пашнями, торчащими из воды куполами церквей, гибнущей под плотинами рыбой. И этот облик молодой Советской страны берёт своё начало в двадцатых годах, когда Ленин склонился к плану ГОЭРЛО. А мог склониться и к другому плану электрификации. Тогда символом мощи страны был бы вовсе не Днепрогэс.
Сейчас в Курске стоит дом-музей Уфимцева. Уфимцев ещё в тридцатые годы решил проблему, которую немцы решали в программе «Эльдорадо-ветер». Он построил в Курске первую ветростанцию, которая давала ток, даже когда не было ветра.
Он аккумулировал механическую энергию так же как Кулибин – с помощью инерционного аккумулятора, то есть маховика. Пока дует ветер, он не только крутит электрогенератор, но и раскручивает маховик. Когда ветер стихал, этот огромный маховик по инерции вращался и крутил генератор. Станция освещала двухэтажный дом Уфимцева, питала его станки, которые стояли в подвале, и освещала часть улицы Семёновской в Курске. И это при том, что в Курске сильных ветров не бывает. Аккумулированной маховиком энергии хватало на несколько часов. В 1936 году Уфимцев умер, и после его смерти станцию запустить уже никому не удалось, потому что никто не мог понять, как она работает. Этот ветряк высотой 40 м до сих пор стоит в Курске. Профессор Нурбей Гулиа, когда работал семь лет в Курске заведующим кафедрой Политеха пытался со студентами запустить уфимскую ветростанцию. Ничего не вышло. А он, по его словам, – «не последний человек в механике». Для того времени конструкция Уфимцева была просто фантастической! Он на сто лет опередил свое время.
Во-первых, Уфимцев вместе с довольно известным тогда аэродинамиком профессором Ветчинкиным создал первое в мире ветроколесо с поворотными лопастями и переменным углом атаки – как в современных вертолетах! Во-вторых, знаменитый маховик на двух подшипниках, который весил 320 кг, был помещён в специальную вакуумную камеру, чтобы воздухом не тормозился. И это в тридцатых годах! В конце ХХ века Гулиа с немцами пытались повторить конструкцию Уфимцева. На современном уровне технике и материаловедения.
Уфимцев на практике показал, что наша страна могла пойти другим путём. Не нужно было бы плотины строить, затоплять города. Уфимцев и Ветчинкин связывали расцвет России с тотальным использованием ветра. Они это называли «сплошной анемофикацией России». У них были даже статистические расчёты по районам России, которые подтверждали, что вся энергетика России может быть основана на энергии ветра. Но, к сожалению, был выбран другой путь. Как завещал вождь.
Для справки:
Площадь водохранилища Рыбинской ГЭС – 4580 км².
При мощности ГЭС 346 МВт выработка электроэнергии составляет 644 млн кВт∙ч в год.
А значит – удельная электрическая мощность равна всего 0,075 МВт/км²,
с 1 м² водохранилища в год вырабатывается 0,14 кВт∙ч электроэнергии.
Среднегодовой Киум ГЭС составляет около 21 %.
Как видно из изложенного, технологии преобразования солнечной и ветровой энергий при выработке энергии малых мощностей могут и должны дополнять и поддерживать друг друга, потому что каждый из этих ВИЭ далеко не идеален.
Они могут решать задачи, возлагаемые на малую и нетрадиционную энергетику России, к которым относятся:
1. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения.
2. Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения.
3. Компенсация снижения завоза топлива в труднодоступные районы и на Крайний Север при одновременном увеличении надёжности и экономичности энергоснабжения.
4. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населённых пунктах со сложной экологической обстановкой.
___________________________
1. Алексеенко С.В. Нетрадиционная энергетика и энергоресурсосбережение / С. В. Алексеенко // Инновации Технологии Решения. 2006. № 3. – С. 36-39. и [Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: ч. 1 / под ред. В. П. Горелова, С. В. Журавлева, В. А. Глушец. – Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 2007. – 265 с. (Труды 3-й международной науч.-техн. конф., 5-8 июня 2007)]
2. Справочник по климату СССР выпуск 17, часть I. – Л.: Гидрометеоиздат, 1965. – 276 с.
3. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) – Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. – 572 с.
4. Харитонов В.П. Новая конструкция ветроэлектроагрегата / В. П. Харитонов // Энергосбережение. 2007. № 4. – С. 80-81.
5. Кожуховский И. Конец эры углеводородов / И. Кожуховский, И. Хузмиев // Альтернативная энергетика. 2008. № 3. – С. 6-10.
6. Кокоев М.Н. Теплофикационная ветросиловая установка// Энергия Экономика Техника Экология. 2007. № 3. – С. 18-22.
7. Мааке В. Учебник по холодильной технике / В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен. – М.: Издательство Московского университета. 1998. – 1142 с.
8. Безруких П. Поветруэнергетика / П. Безруких // Альтернативная энергетика. 2008. № 3. – С. 12-16.
© Г.Б.Осадчий, 2013
Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
начало статьи