ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Энергия ветра, являясь производной энергии Cолнца, образуется за счет неравномерного нагревания поверхности Земли. Каждый час Земля получает 100 000 000 000 000 кВт·ч энергии Солнца. Около 1-2 % солнечной энергии преобразуется в энергию ветра. Этот показатель в 50-100 раз превышает количество энергии, преобразованной в биомассу всеми растениями Земли.

На протяжении нескольких тысячелетий человечество использует энергию ветра. Ветер надувал паруса кораблей, заставлял работать ветряные мельницы. Кинетическая энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли. Энергия ветра привлекательна и с точки зрения экологии: при ее использовании нет выбросов в атмосферу, нет опасных радиоактивных отходов.

Ветер, как первичный источник энергии, ничего не стоит. К тому же, этот источник энергии может использоваться децентрализовано. Нет необходимости в создании таких инфраструктур как, например, при производстве и передаче электроэнергии, выработанной за счет сжигания нефти или природного газа.

ИСТОРИЯ
Ветер как источник энергии известен человечеству на протяжении уже десятков тысяч лет. Еще на заре цивилизации энергию ветра использовали в мореплавании. Считается, что древние египтяне ходили под парусами еще 5000 лет назад. Около 700 г. н.э. на территории нынешнего Афганистана ветряные машины с вертикальной осью вращения применялись для помола зерна. Известные всем ветряки (крылья ветряной мельницы, прикрепленные к башне) обеспечивали работу ирригационной системы острова Крит, расположенного в Средиземном море. Работающие за счет ветра мельницы для помола зерна являются одним из наиболее крупных технических достижений средних веков. В 14 веке голландцы, усовершенствовав модель ветряных мельниц, распространенных на Ближнем Востоке, начали широко применять ветряки для помола зерна.

Водяной насос, работающий за счет энергии ветра, появился в 1854 году в США. Он представлял собой ту же модель ветряной мельницы с большим количеством лопастей и флюгером для определения направления ветра. К 1940 году более 6 миллионов таких ветряков использовались в США в основном для подъема воды и производства электроэнергии. Завоевание "Дикого Запада" было осуществлено, в том числе, и благодаря этим ветрякам, которые снабжали водой животноводческие фермы.

Тем не менее, в середине 20 века наступил конец широкому применению энергии ветра, поскольку на замену ему пришел такой "современный" энергетический ресурс как нефть. И лишь после того, как мир пережил несколько нефтяных кризисов, интерес к ветроэнергетике возобновился. В результате резкого скачка цен на нефть в начале 70-х, энергетические аналитики вновь обратились к использованию энергии ветра. Исследования и эксперименты, проведенные при финансовой поддержке государств и различных фондов, дали новый толчок для развития технологий использования энергии ветра. Усилия были сконцентрированы на использовании ветра в первую очередь для производства электроэнергии, так как для индустриальных стран применение ветровых насосов не является столь важным.

США

Эмбарго на нефть, введенное в 1973 году, стало основной движущей силой для программы, направленной на развитие ветроэнергетики в США. Компания "Westinghouse Electric" разработала первые ветроэнергетические установки (ВЭУ) мощностью 200 кВт, известные как MOD-OA. Наиболее мощная из этой серии ветротурбина MOD-5B мощностью 3,2 МВт, установлена на Гавайях. Коммерческое развитие ветроэнергетической промышленности США началось после принятия в 1978 году государственного акта по регулированию политики страны в области коммунального хозяйства (PURPA) и введенного льготного 25% кредита для инвесторов в производство ВЭУ. В результате только за период 1981-1984 годов в Калифорнии было установлено 6870 ветротурбин. Однако после 31 декабря 1985 года, когда закончилось предоставление налоговых льгот по кредитованию, а цена на нефть упала до 10 долларов за баррель, множество мелких компаний - производителей ВЭУ исчезло. Смогли "выжить" только наиболее надежные и перспективные. Стоит отметить, что интерес к ветроэнергетике в США возобновился в 1998 году.

ДАНИЯ

История развития ветроэнергетической промышленности Дании представляет собой пример успешного коммерческого процесса. С 1980 по 1998 год ее оборот достиг 1 млрд долларов США. ВЭУ датского производства - одни из самых популярных на мировом рынке. В 1981 году ветроэнергетическая промышленность Дании насчитывала всего несколько сотен служащих, сегодня же здесь работают более 15000 человек. Промышленный оборот ветроэнергетики дважды превышает стоимость Датской Североморской газовой промышленности. Объем экспорта датских ВЭУ в 1998 достиг суммарной мощности 1216 МВт. Сегодня более половины ВЭУ, установленных в мире, датского происхождения.

В 1979 году правительство Дании ввело государственную субсидию, покрывающую 30% капитальных затрат по установке ветроагрегатов. Финансовая поддержка государства оказалась существенным фактором для успешного и быстрого развития ветроэнергетики страны. Нужно отметить, что подобная финансовая поддержка существовала и для развития технологий по энергетическому использованию соломы, биогаза и энергии Солнца. С помощью ученых специально созданной Национальной лаборатории по тестированию ветротурбин RISO производители ветроагрегатов постоянно работали над повышением качества и эффективности своих машин. Одновременно велась работа над понижением их стоимости. В 1986 году размер субсидий уменьшился до 15%. 1989 год считается годом создания ветроэнергетической промышленности страны. В этом году с отменой субсидии были введены налоговые льготы по кредитам. Владельцы ВЭУ получили возможность не учитывать при начислении налогов определенную часть дохода, полученную от продажи электроэнергии.

Еще одной особенностью Дании является тот факт, что бурное развитие ветроэнергетики основывалось, в первую очередь, на привлечении частных лиц, объединенных в кооперативы. В качестве примера можно взять кооператив Брируп, расположенный в 50 км от Восточного побережья полуострова Ютландия. В состав кооператива, владеющего тремя ветротурбинами, установленными с 1986 по 1989 год входит 70 членов. Экономический результат деятельности кооператива выглядит следующим образом: одна турбина мощностью 95 кВт вырабатывает в год 184 МВт·ч электроэнергии, две другие турбины мощностью 150 кВт каждая, вырабатывают по 275 000 кВт·ч. Таким образом, суммарное годовое производство электроэнергии равняется 734 000 кВт·ч. Полная стоимость всех трех турбин, включая стоимость установки и подключения к энергосети - 2,5 млн датских крон (1 дол. США - 6,2 датск. крон). Эта сумма "разбита" на 734 "акции" по цене 3,400 датских крон (каждая акция соответствует производству / потреблению 1000 кВт·ч электроэнергии), что равно примерно половине месячной зарплаты неквалифицированного рабочего в Дании за вычетом налогов. Каждый член кооператива может купить "акции" пропорционально своему годовому потреблению электроэнергии плюс 30%. Если, например, годовое потребление электроэнергии равняется 10000 кВт·ч, к этому количеству можно добавить еще 3000 кВт·ч, таким образом, можно купить максимум 13 "акций". Подобное ограничение необходимо для ограничения прибыли (прибыль за продажу электроэнергии для членов кооператива не облагается налогом). На общих собраниях каждый член кооператива имеет 1 голос, независимо от количества имеющихся у него "акций". Слово "акция" написано в кавычках в связи с тем, что акции членов кооператива не являются акциями в полном смысле этого слова. К примеру, при продаже таких акций необходимо руководствоваться нормами электропотребления продавца и покупателя.

Экономические показатели деятельности кооператива в Брируп - прекрасные. Ежегодно, после выделения определенной суммы, необходимой для нормальной эксплуатации и ремонта ВЭУ, владельцы "акций" получают по 510 датских крон за акцию. Эта сумма соответствует 15% годовых (причем, освобожденных от налога), что намного превышает процентные ставки банков. Сегодня установка ветротурбины обходится намного дороже, поэтому стоимость акций возросла до 4000 датских крон, а ставка годовых понизилась до 12,75% В результате поддержки ветроэнергетики, оказанной датским правительством, каждая десятая (!) семья в Дании является либо членом ветрового кооператива, либо владельцем собственной ВЭУ.

ГЕРМАНИЯ

В отличие от ситуации в Дании или Калифорнии (США), где огромное количество ветроэнергетических установок (ВЭУ) было установлено еще в 80-х годах 20 века, в Германии интерес к энергии ветра появился с большим опозданием. Лишь в 1989 году федеральное правительство Германии инициировало программу содействия развитию ветроэнергетики в стране. Эта программа предусматривала установку ветроагрегатов суммарной мощностью 250 МВт в течение семи лет. Немецкие коммунальные предприятия обязывались оплачивать своим потребителям 90% стандартных тарифов за поставленную в сеть всеми производителями электроэнергию, выработанную за счет энергии ветра. Проведение этой программы привело к скачку в развитии ветроэнергетики.

СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ

Ветроэнергетический бум охватывает все больше и больше стран. На 31 декабря 2005 года установленная мощность мировой ветроэнергетики достигла 58 982 МВт, из которых 11 310 МВт новых мощностей были введены в эксплуатацию только в 2005 году. Для сравнения в 2004 году отрасль выросла на 8 344 МВт, а в 2003 году - на 8 100 МВт. Таким образом, рост ветроэнергетической отрасли в 2005 году составил 24%. Учитывая продолжающуюся динамику роста, Всемирная ветроэнергетическая ассоциация ожидает, что установленная мощность ветроэнергетики в мире в 2010 году достигнет 120 000 МВт. На сегодняшний день доля ветроэнергетики в мировом энергопроизводстве составляет 1%, причем в некоторых странах на долю энергии, выработанной за счет ветра, приходится 20% и более от общего объема энергопоставок. Финансы, ранее затрачиваемые на импорт ископаемых энергоносителей, сегодня "инвестируются" в новые рабочие места - уже более 235 000 человек непосредственно занято в ветроенергетической отрасли.

Азия, сегодня демонстрирующая темп роста новых ветромощностей на уровне 48%, стала новым мировым "локомотивом" отрасли, стремительно увеличивающим свою скорость. Европа, теряющая свою долю в мировой ветроэнергетики с 72,8 % до 69,6%, все еще удерживает лидерство. Практически каждая вторая ветротурбина, введенная в эксплуатацию в 2005 году, была установлена за пределами Европы, тогда как в 2004 году почти три из четырех новых агрегатов устанавливалось в Европе.

Учитывая дальнейшее развитие ветроэнергетических технологий, их разнообразие, а также дополнительный импульс, полученный отраслью в 2005 году, можно с уверенностью сказать, что рост и распространение ветроэнергетики в мире будет наблюдаться и в ближайшие годы. Основываясь на данных Всемирной ветроэнергетический ассоциации, можно предположить, что установленная мощность отрасли к концу 2006 года достигнет 70 000 МВт, а в 2010 году - 120 000 МВт.

Показатели установленной ветроэнергетической мощности 10 ведущих стран мира по состоянию на 31 декабря 2005
Страна
Новые мощности, введенные в эксплуатацию, в 2005, МВт
Темп роста в 2005 году, %
Общая установленная мощность на конец 2005 года, МВт
Германия
1798.8
10.8
18427.5
Испания
1764.0
21.3
10027.0
США
2424.0
36.0
9149.0
Индия
1430.0
47.7
4430.0
Дания
4.0
0.1
3128.0
Италия
452.4
35.8
1717.4
Соединенное королевство
465.0
52.4
1353.0
Китай
496.0
64.9
1260.0
Нидерланды
141.0
13.1
1219.0
Япония
143.8
16.0
1040.0
Всего в странах- лидерах
8623.0
29.8
51750.9
Всего в Европе
6174.0
18.0
40932.0
Всего в мире
11310.0
24.0
58982.0


 

Год
Установленная мощность в мире, МВт
Установленная мощность в Европе, МВт
1980
10
-
1995
4821
2515
1999
13 594
9307
2001
23 857
17 241
2004
47 671
34 758
2005
58 982
40 932

Благодаря значительным усовершенствованиям ВЭУ, а также накопленному опыту, размеры капитальных затрат, связанных с производством, установкой и введением в строй ВЭУ, снизились. В свою очередь, понижение капитальных затрат отразилось на снижении стоимости электроэнергии, полученной за счет ветра, с 14 центов США за 1 кВ·ч в 1986 г. до 5 центов США за 1 кВ·ч в 1999 году.

За последние два года мощность ветроэнергетики возрастала в среднем на 30% в год. Для сравнения, рост атомной энергетики был менее 1%, в то время как увеличения количества электроэнергии, полученной за счет сжигания угля, не было вовсе. Европа стала центром этой молодой и высокотехнологичной промышленности. 90% мирового производства средних и больших ВЭУ сосредоточено в Европе. Средняя установленная мощность одной ВЭУ возросла на 150 кВт и достигла показателя в 900 кВт.

УКРАИНА

В 2005 году суммарная мощность ВЭУ в Украине достигла 85 МВт. Страна продолжает оставаться лидером среди стран бывшего Советского Союза и Восточной Европы по суммарной установленной мощности ВЭУ. И хотя этот показатель слишком низкий по сравнению с мировыми ветроэнергетическими лидерами - Германией и Испанией - Украина относится к тем немногим странам, где налажено серийное производство лицензионных ВЭУ. В их производстве участвуют 23 завода бывшего военно-промышленного комплекса (ВПК), а сборку ветротурбин для ВЭУ осуществляет Днепропетровский "Южный машиностроительный завод" ("Южмаш").

В 1993 году украинское предприятие "Уиндэнерго" получило лицензию от американской фирмы "Keneteck Windpower" на производство турбин мощностью 107,5 кВт. Согласно Указу Президента Украины от 2 марта 1996 г. №159 "О строительстве ветровых электростанций" и Постановлению Кабинета Министров Украины от 2 февраля 1997 года, в стране действует Комплексная программа строительства ветровых электростанций. В рамках этой программы сегодня в Украине полностью освоено производство ВЭУ USW56-100 мощностью 107,5 кВт - 100% узлов этих машин изготавливаются в стране. Цена USW56-100 вдвое меньше, чем аналогичных западных образцов.

С июня 2003 года в Украине начали вводить в эксплуатацию новые ВЭУ мощностью 600 кВт бельгийской фирмы "Turbowinds".

НЕМНОГО ИСТОРИИ

В 2003 году украинская ветроэнергетика отметила свое десятилетие, если точкой отсчета считать дату запуска первой ВЭС в стране - Акташской. Хотя первый этап развития ветроэнергетики Украины по праву принадлежит периоду 30-х годов прошлого столетия. Под руководством изобретателя Юрия Кондратюка был разработан и установлен экспериментальный ветрорагрегат мощностью 100 кВт в Балаклаве. В последствии Ю. Кондратюком был спроектирован ветряк на 1000 кВт. Следующим проектом гениального изобретателя стал двухэтажный ветроагрегат общей мощностью 10 000 кВт (по 5 000 кВт на каждом уровне). Высота до 1-го уровня составляла 65 м и до второго - 150 м. К сожалению, идеи Ю. Кондратюка так и остались проектами, хотя фундамент для 10 000 кВт-ного ветряка все же был сооружен в Крыму на горе Ай-Петри, где и существует по сей день.

Второй этап развития ветроэнергетики совпал с началом процесса конверсии в бывшем Советском Союзе. В 1987 году встал вопрос о закрытии проекта по повороту на Юг северных рек - Енисея, Лены. Огромное количество денег, отпущенное Советским Союзом на этот проект, осталось в Министерстве водного хозяйства СССР. По инициативе конструкторского бюро "Южное", г. Днепропетровск, часть средств от этого проекта было направлено на развитие ветроэнергетики.

ВЭУ УКРАИНСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

На эти средства конструкторское бюро создало первый в послевоенное время ВЭУ советского производства - АВЭ-250. К сожалению, для первых двух опытных ВЭУ не нашлось генераторов мощностью 250 кВт, поэтому были установлены лишь 100 кВт-ные. Эти ВЭУ до сих пор находятся в Павлограде и в совхозе "Солнечная долина" близ Судака. На Павлоградском ветроагрегате шла опытная отработка, а Судакская ВЭУ так и не заработала.

Ветроагрегат АВЭ-250 разрабатывался совместно с московской фирмой "ВЕТРОЭН" на основании датского аналога ВЭУ конструкции 1956 года, что подчеркивает сегодня его моральную отсталость. После первых испытаний модели стало ясно, что делать ветряк, используя для башен пластиковые части корпусов ракет, нельзя по двум причинам: во-первых, это очень дорогая технология и, во-вторых, когда дует ветер, башня ветряка ведет себя как удочка из стеклопластика. В последующих конструкциях ВЭУ КБ "Южное" использовало башни из металла.

К сожалению, приходится констатировать тот факт, что из 14 ВЭУ отечественного производства в Украине работают только лишь две ВЭУ - на Аджигольской ВЭС в Николаевской области. Правда, установлено шесть ВЭУ в Воркуте (Россия), но из них работает в лучшем случае одна или две. Остальные являются базой для запчастей.

ВЭУ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЛОПАСТЯМИ

Была еще одна украинская разработка - ВЭУ ЭСО-420 номинальной мощностью 420 кВт. Эта украинская ВЭУ не проработала ни одного дня, хотя затраты на ее создание составили не одну сотню тысяч долларов. В сентябре 2004 года при сильном порыве ветра у этого ветроагрегата оторвало лопасти. Больше экспериментов с такой конструкцией в Украине не проводилось.

ЛИЦЕНЗИОННЫЕ ВЭУ

Был выбран путь производства лицензионных ВЭУ. В рамках программы конверсии были задействованы десятки предприятий ВПК для производства комплектующих ВЭУ. Лозунгом стало: " Чистая энергия - вместо пушек".

Первые ветротурбины по американской лицензии "Южмаш" начал собирать в 1994 году. За неполные семь лет завод отладил изготовление и сборку USW 56-100. Сегодня изготовление ВЭУ обходится в 2 раза дешевле, чем на Западе.

НОВЫЕ ВЭУ

В рамках Комплексной программы строительства ВЭС в Украине решен вопрос о перепрофилировании заводов, выпускающих ВЭУ USW 56-100 на ВЭУ мощностью более 600 кВт по лицензиям зарубежных фирм. "Южмаш" планирует освоить изготовление башен, лопастей и наладить общую сборку ВЭУ.

В соответствии с Комплексной программой строительства ВЭС в Украине было приобретено три прототипа 600 кВт-ной ВЭУ бельгийского производства. Летом 2003 года два новых ветроагрегата установлены и сданы в эксплуатацию на Новоазовской ВЭС в Донецкой области, а третий - на полуострове Тарханкут в Крыму. На одной ВЭУ уже была установлена башня украинского производства, изготовленная на "Южмаше". На Тарханкуте первый бельгийский ветроагрегат был смонтирован за 74 часа, и за двое суток ВЭУ выработала 10 000 кВт ·час электроэнергии. Ветер был среднего уровня, не превышал 7-8 м/с, а показатели выработки электроэнергии оказались высокими. В отличие от ВЭУ USW56-100, стартующей с 5,5 м/с, бельгийская ВЭУ Т600-48 начинает работу при скорости ветра 2,8 м/с. По расчетам бельгийских специалистов и МНТЦ Ветроэнергетики НАН Украины ежегодная выработка электроэнергии одной ВЭУ Т600-48 на Тарханкутской ВЭС составит порядка 2 млн кВт ·час электроэнергии.

ПОТЕНЦИАЛ

Согласно сценарию развития ветроэнергетики в мире до 2020 года, представленном в документе "Wind Force 12", разработанном совместно Гринписом, INFORSE и Европейской ассоциацией ветроэнергетики, доля ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии должна достигнуть 12%. Проведенные исследования показали, что в мире не существует никаких технических, экономических и ресурсных ограничений для достижения этой цели. К 2020 году есть реальная возможность достигнуть мирового показателя установленной мощности ВЭУ в 1 260 000 МВт. Документ "Wind Force 12" отмечает, что к 2010 году мировая ветроэнергетическая промышленность может выйти на уровень 230 000 МВт установленной мощности, а европейская - 100 000 МВт. К 2010 году стоимость мирового ветроэнергетического рынка будет составлять 133 млрд евро, а сумма инвестиций достигнет 20 млрд евро.

Согласно проведенным исследованиям, к 2020 году затраты на производство электроэнергии, полученной за счет энергии ветра, понизятся до 2,5 центов США за 1 кВт·ч (нынешняя стоимость составляет 4,0 цента США за 1 кВт·ч).
 
Согласно "Wind Force 12"

к 2020 году за счет ветроэнергетики будет обеспечено 12 % потребности в электроэнергии, учитывая, что мировое энергопотребление удвоится.

установленная мощность ВЭУ достигнет 1 261 000 МВт

ветроэлектростанции (ВЭС) будут производить 3 093 ТВт·ч энергии, что соответствует нынешнему энергопотреблению Европы

выбросы СО2 в атмосферу уменьшатся на 11 768 млн тонн

РАБОЧИЕ МЕСТА

Сектор возобновляемой энергетики становится одним из важных "работодателей". Сегодня только на территории стран Евросоюза он насчитывает более 110 000 рабочих мест, из которых 20% принадлежат ветроэнергетике. Большинство из 700 компаний, действующих в области ветроэнергетики, являются представителями малого и среднего бизнеса. По мере роста промышленности растет и число рабочих мест. К концу 2005 года более 235 000 человек работало в ветроэнергетической промышленности. По прогнозам экспертов число работающих в ветроэнергетике превысит 1,4 млн человек к 2020 году.

РЫНКИ
ВЭУ существуют во всем мире. Они идеально подходят для нужд развивающихся стран с их потребностью в срочном введении в эксплуатацию новых мощностей. Они могут быть введены в строй и подключены к энергосети за более короткий срок и с меньшими затратами по сравнению с вводом больших электростанций, которым необходима сложная инфраструктура по производству и передаче электроэнергии. Поэтому развивающиеся страны представляют большой интерес для ветроэнергетического рынка.

Ветроэнергетика легко интегрируется в существующие энергосистемы, сокращая объемы электроэнергии, полученной за счет сжигания ископаемого топлива.

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Как источник энергии, ветер является менее предсказуемым в отличие от, например, Солнца, однако в определенные периоды наличие ветра наблюдается на протяжении целого дня. На ветровые ресурсы влияет рельеф Земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 метров. Поэтому ветер в большей степени зависит от местных условий, чем энергия Солнца. В гористой местности, к примеру, два участка могут обладать одинаковым солнечным потенциалом, но вполне возможно, что их ветровой потенциал будет различен, в первую очередь из-за различий в рельефе и направлений ветровых потоков. В связи с этим планирование места под ВЭУ должно проводиться более тщательно, чем при монтаже солнечной системы. Энергия ветра также подчинена сезонным изменениям погоды: более эффективная работа ВЭУ зимой и менее - в летние жаркие месяцы (в случае с солнечными системами ситуация противоположная). В климатических условиях Дании фотоэлектрическая система эффективна на 18% в январе и на 100% в июле. Эффективность работы ветростанции в июле - 55%, а в январе - 100%. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ВЭУ и солнечной системы. Подобные гибридные системы обеспечивают более высокую производительность электроэнергии по сравнению с отдельно установленными ветровой или фотоэлектрической установками.

Важно также помнить, что количество энергии, произведенной за счет ветра, зависит от плотности воздуха, от площади, охваченной лопастями ветротурбины при вращении, а также от куба скорости ветра.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Лопасти ВЭУ вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ВЭУ. Мы знаем из курса физики, что кинетическая энергия движущегося тела (например, воздуха) пропорциональна его массе, поэтому энергия ветра зависит от плотности воздуха. Плотность зависит от количества молекул в единице объема. При нормальном атмосферном давлении и при температуре 15oС плотность воздуха составляет 1,225 кг/м3. Однако с увеличением влажности плотность воздуха слегка уменьшается. Из-за того, что зимой воздух более плотный, ветрогенератор будет вырабатывать зимой больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра. На территории, расположенной высоко над уровнем моря, например, в горах, атмосферное давление меньше и, соответственно, меньше плотность воздуха.

ПЛОЩАДЬ РОТОРА

Ротор ветротурбины "захватывает" энергию ветрового потока, находящегося возле него. Понятно, что чем больше площадь ротора, тем больше электроэнергии он может выработать. Так как площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, ВЭУ вдвое большая по размеру сможет выработать в четыре раза больше энергии. Однако, процесс увеличения площади ротора нельзя свести к простому удлинению лопастей ВЭУ. С первого взгляда кажется, что это наиболее простой путь увеличения количества "захватываемой" ВЭУ энергии. Но, увеличивая размер площади, охватываемой лопастями при вращении, мы тем самым увеличиваем нагрузку на систему при той же скорости ветра. Для того, чтобы система выдержала все нагрузки, необходимо усилить все ее механические компоненты. Становится понятно, что подобное решение проблемы требует дополнительных финансовых затрат.

СКОРОСТЬ ВЕТРА

Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ВЭУ может преобразовать в электроэнергию. Большая скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ВЭУ. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра. Таким образом, например, если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в восемь раз. Приведенная внизу таблица показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность - 1,225 кг/м3, атмосферное давление над уровнем моря 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м2) выглядит следующим образом: 0,5*1,225*V3, где V - скорость ветра в м/сек

(согласно Датской ассоциации производителей ветротурбин)

м/с
Вт/м2
1
1
3
17
5
77
9
477
11
815
15
2067
18
3572
21
5672
23
7452

Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и скорость ветра. Конструкция ВЭУ рассчитана для работы при скорости ветра в диапазоне 3 - 30 м/сек. Более высокая скорость ветра может разрушить ВЭУ, поэтому большие ВЭУ оснащены тормозами. Малые ВЭУ могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек.

Шкала скорости ветра:
Скорость ветра, м/сек
Тип ветра
0-1,8
Безветрие
1,8-5,8
Слабый
5,8-8,5
Умеренный
8,5-11
Нормальный ветер
11-17
Сильный ветер
17-25
Очень сильный
25-43
Шторм
Более 43
Ураган

НЕРОВНОСТЬ РЕЛЬЕФА

Поверхность Земли с ее растительностью и строениями, находящимися на ней, является основным фактором, влияющим на уменьшение скорости ветра. Это явление описывают как влияние неровности рельефа. С удалением от поверхности Земли уменьшается и влияние неровности рельефа, при этом ламинарные воздушные потоки увеличиваются. Другими словами, чем выше - тем больше скорость ветра. На высоте около 1 км рельеф практически не влияет на скорость ветра. В более низких слоях атмосферы на скорость ветра большое влияние оказывает трение с поверхностью Земли. Для ветроэнергетики это означает, что чем больше неровность рельефа, тем ниже будет скорость ветра. Скорость ветра в значительной степени замедляется из-за лесов и больших городов, в то время как большие водные пространства или, к примеру, территории аэропортов почти не оказывают замедляющего эффекта на ветер. Здания, леса и другие препятствия не только замедляют скорость ветра, но и создают турбулентные потоки.

Как уже было отмечено, меньше всего на скорость ветра влияют водные пространства. Оценивая пригодность данной территории для установки ВЭУ, т.е. ее ветровой потенциал, специалисты пользуются классификацией неровности рельефа. Более высокий класс неровности рельефа означает большее количество препятствий на поверхности и, соответственно, большее замедляющее влияние на скорость ветра. Поверхность моря определяется как неровность класса 0.

Классификация неровностей поверхности и рельефа:

0 - водная поверхность;
0.5 - полностью открытый рельеф с гладкой поверхностью (взлетные полосы на территории аэродромов, покосы);
1 - открытая сельскохозяйственная местность без заборов, изгородей и низких строений; малые возвышенности;
1.5 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 1250 м;
2 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 500 м;
2.5 - сельскохозяйственные угодья с большим количеством зданий, с деревьями, кустарниками или навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 250 м;
3 - деревни, поселки, сельскохозяйственные земли с большим количеством или с очень высокими изгородями, лесами, а также очень неровный рельеф;
3.5 - города с высокими зданиями;
4 - большие города, мегаполисы с высокими зданиями и небоскребами.

В промышленности также существует такое понятие как сдвиг ветра. Оно описывает процесс уменьшения скорости вихревых потоков по мере их приближения к поверхности земли. Сдвиг ветра также необходимо учитывать во время проектирования ВЭУ. Так, если ветротурбина имеет большой диаметр ротора, но высота ее башни незначительна, то в результате ветер, воздействующий на конец лопасти, находящейся в верхней позиции, будет иметь максимальную скорость, а ветровой поток, воздействующий на конец лопасти, находящейся внизу, будет минимальным, что может привести к разрушению ВЭУ.

ТЕХНОЛОГИИ

ВЭУ преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ВЭУ используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива. Огромно разнообразие машин, изобретенных или предложенных для производства энергии за счет ветра, многие из них представляют собой довольно необычные конструкции. Тем не менее, существуют два основных типа современных ВЭУ.

ВЭУ с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, - наиболее распространенный тип ВЭУ. Расположение ведущего вала ротора - части турбины, соединяющей лопасти с генератором, - считается осью машины. У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально.

В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой - так называемый наветренный ротор или за опорой - подветренный ротор. Чаще всего турбины с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим числом лопастей. Последние ВЭУ представляют собой диск с большим количеством лопастей. Они получили название "монолитных" установок. Такие установки используются в первую очередь в качестве водяных насосов. В отличие от них площадь ротора турбины с малым количеством лопастей (две-три) не является сплошной. Эти турбины относят к "немонолитным" установкам. Для наиболее эффективной работы ВЭУ ее лопасти должны максимально взаимодействовать с ветровым потоком, проходящим через площадь вращения ротора. ВЭУ с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения. В то время как установки с двумя или тремя лопастями должны вращаться с очень высокой скоростью, чтобы максимально "охватить" ветровые потоки, проходящие через площадь ротора. Теоретически, чем больше лопастей у ротора, тем эффективней должна быть его работа. Однако, ВЭУ с большим количеством лопастей менее эффективны, чем турбины с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу.

Для водяных насосов, работающих при помощи ветряков, необходимо создание высокого стартового вращающего момента. Турбины с большим количеством лопастей используются для подъема воды именно потому, что благодаря низкому коэффициенту окружной скорости на конце лопасти создаются высокие стартовые характеристики и установка может работать при малых скоростях ветра.

У турбин с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. В мире существует всего лишь несколько производителей таких ВЭУ, наиболее известный из них - компания "Flowind". Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, "захватывают" ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков. Автором идей создания турбины с вертикальной осью вращения является французский инженер Дарриус (Darieus).

Несмотря на свое внешнее различие, турбины с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой похожие системы. Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями турбины, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться для более позднего использования.

По способу взаимодействия с ветром ВЭУ делятся на установки с жестко закрепленными лопастями без регулирования и на агрегаты, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом. Обе конструкции имеют преимущества и недостатки. ВЭУ, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии. В то же время, эти ВЭУ должны быть оснащены специальными подшипниками, которые, исходя из имеющегося уже опыта, часто являются причиной поломок агрегатов. Турбины с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, однако их эффективность использования ветрового потока ниже.


ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВЕТРОТУРБИН

Современные ВЭУ обычно состоят из следующих основных компонентов:
Лопастей
Ротора
Трансмиссии
Генератора
Система контроля.


Лопасти. Именно этот компонент ВЭУ "захватывает" ветер. Современный дизайн ВЭУ позволяет увеличивать эффективность этого процесса. Как уже описано выше, обычно ВЭУ имеют две или три лопасти. Лопасти производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким, и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 метров, вес лопасти может превышать 1000 кг.

Тормозная система Трансмиссия Генератор

Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию (в некоторых системах вал ротора напрямую соединен с приводом генератора).

Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Все системы ВЭУ контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ВЭУ. Система контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора ВЭУ разворачивает ВЭУ по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.

Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ВЭУ.

ВЭУ

Ветроэнергетические установки представляют собой достаточно сложное изделие. Многие из ранее разработанных образцов оказались ненадежными. Например, фотоэлектрический модуль, в отличие от ВЭУ, изначально является надежным изделием, так как его конструкция не содержит никаких движущихся элементов. ВЭУ состоит из множества механизмов, и надежность каждого отдельного из них зависит от профессионализма его разработчиков и производителей.

Размер современных ВЭУ имеет широкий диапазон: от малых 100 кВт-ных, предназначенных для обеспечения электроэнергией отдельных домов или коттеджей, до огромных установок мощностью более 1 МВт, диаметр лопастей которых превышает 50 м. Подавляющее большинство современных ВЭУ представляет собой горизонтально-осевые конструкции с тремя лопастями диаметром 15-40 метров. Такие ВЭУ обладают установленной мощностью 50-600 кВт и более. Часто подобные ВЭУ сгруппированы на одной территории, образуя, таким образом, ветроэлектростанции (ВЭС). Электроэнергия, выработанная на ВЭС, поступает в электросеть. Современные большие ВЭУ в основном вырабатывают электроэнергию с напряжением 690 В. Трансформатор, устанавливаемый рядом с ВЭУ или в ее башне, повышает напряжение до 10-30 кВ.

Стоимость 1 кВт установленной мощности современной ВЭУ составляет около 800 долларов США, что гораздо ниже показателя 1981 года - 2500 долларов США за 1 кВт установленной мощности.

МЕГАВАТНЫЕ ВЕТРОТУРБИНЫ

За короткую историю развития современных ВЭУ стало ясно, что коммунальные энергетические компании отдают предпочтение большим установкам. Именно поэтому конструкторами и разработчиками ВЭУ было предпринято много усилий для разработки таких машин, которые бы соответствовали техническим, эстетическим и экономическим требованиям клиентов. В частности, значительные усилия были предприняты в этой области в начале 1980-х. Так, Департаментом по энергетике США была принята программа MOD 1,5, в соответствии с которой установленная мощность ВЭУ должна была достигать 3,2 МВт. В Дании разрабатывались ВЭУ с установленной мощностью 630 кВт (Nibe A и B) и 2 МВт (компания "Tjaereborg"); в Швеции - ВЭУ мощностью 3 МВт (компания "Nasudden"), в Германии -3 МВт (компания "Growian"). Большинство из них оказались неудачными, хотя уже тогда стало ясно, что потенциал разработки ВЭУ мощностью более 2 МВт является многообещающим.

Многие из европейских исследовательских компаний в рамках существующих инициатив получили частичное или полное финансирование для разработки прототипов мегаваттных ВЭУ. Первая из таких опытных моделей была установлена в конце 1995 года. Сегодня уже несколько моделей установлено, в основном они успешно работают. Ведущие производители ветротурбин продолжают работать над усовершенствованием выпускаемых 500 кВт-ных машин. Это подтверждает мнение о том, что маркетинговая стратегия большинства из них нацелена на удержание своей доли рынка в классе ВЭУ 500-800 кВт с диаметром ротора 39-50 м. Тем не менее, современный ветроэнергетический рынок продолжает развиваться в направлении более широкого применения промышленных ВЭУ мощностью один и более МВт.

В большинстве случаев компании используют модели своих турбин малой мощности в качестве основы для конструирования мевагаттных агрегатов. Исключением является немецкая компания "Tacke WindTechnik". Компания представила новую крупную ВЭУ с лопастями с изменяющимся углом. Конструкция этой ВЭУ ранее не использовалась компанией в других моделях. На сегодняшнем рынке производителей больших ВЭУ лидируют 5 компаний - "Enercon", "Nordtank", "Tacke", "Vestas" и "Bonus". Выпускаемые ими агрегаты имеют установленную мощность от 1,5 МВт и более (с 2003 года уже до 5 МВт).

В любом случае установка мегаваттных машин представляет собой новые возможности. В областях, которые уже практически полностью "заполнены" ВЭУ меньших мощностей, естественно, трудно найти площадки для установки мегаваттных турбин, учитывая и тот фактор, что они должны гармонировать с существующими ВЭУ. В Дании проводились исследования по поиску площадок для мегаваттных агрегатов на так называемых "промышленных" территориях. Результаты исследования выявили подходящие площадки в промышленных районах и в гаванях для монтажа около 200 мегаваттных установок, что соответствует 200-300 МВт установленной мощности. Количество энергии, выработанной такими машинами, может быть существенным. Мегаваттная турбина может ежегодно вырабатывать около 5 миллионов кВт·ч при средней скорости ветра выше 9 м/сек. При таких же ветровых условиях турбина с установленной мощностью 1,3 МВт может вырабатывать уже 7 миллионов кВт·ч в год.

ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность. Эта величина указывает, сколько кВт·ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке. Так, 500 кВт-ная ВЭУ произведет 500 кВт· ч энергии за час работы при скорости ветра 15 м/сек (максимально необходимая скорость ветра). Обычно 600 кВт-ная машина в год производит около 500 000 кВт· ч при средней скорости ветра 4,5 м /сек. При скорости ветра 9 м/сек она выработает до 2 000 000 кВт·ч в год. Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 600 кВт) на среднюю годовую скорость ветра. Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности (КПД) для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке. КПД - это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года. Например, если 600 кВт-ная турбина вырабатывает 2 млн. кВт в год, расчет ее КПД выглядит следующим образом: 2 000 000:(365,25·24· 600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38%. Теоретически значение КПД может варьироваться от 0 до 100%, но практически он располагается в пределах от 20 до 70% и чаще всего КПД равен 25-30%.

Очень важным фактором, влияющим на производительность ВЭУ, является ее месторасположение. Как описывалось в предыдущих главах, скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому большинство ВЭУ имеют высокие башни. Чем выше турбина относительно вершин соседних препятствий, тем меньше они заслоняют ветер. Однако, в некоторых случаях влияние препятствий может ощущаться на расстоянии от земли, в пять раз превышающем их высоту. Если препятствие выше всего лишь на половину высоты ВЭУ, то определить его влияние трудно из-за сложной геометрии взаимодействия с ветром. Ограничения по пределу прочности некоторых материалов, используемых в конструкции башни, ограничили высоту большинства башен (приблизительно до 30 м). На ветростанциях ВЭУ устанавливаются на расстоянии, равном от 5 до 15 диаметров ротора. Это необходимо для того, чтобы избежать взаимного влияния турбулентности, возникающей на лопастях соседних ВЭУ.

ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОТУРБИН


БОЛЬШИЕ ВЕТРОТУРБИНЫ, ВЭС

Как мы уже упоминали, развитие ВЭУ началось с использования малых турбин для ограниченного применения, но, по мере увеличения их размеров, ВЭУ стали менее привлекательны для использования в частном секторе в виде индивидуального, "домашнего" источника электроэнергии. Соответственно, практически вся выработанная большими ВЭУ энергия поступает в электросеть. Количество энергии, выработанной большими турбинами, настолько велико, что может превышать мощность местных линий электропередач. В первую очередь, это типично для прибрежных территорий, имеющих хороший ветровой потенциал, но чаще всего не имеющий необходимой энергоструктуры. При этом возникает необходимость строительства новых высоковольтных линий, что, естественно, связанно с дополнительными затратами. Поскольку дополнительные затраты экономически нецелесообразны для одиночных установок, появилась устойчивая тенденция к группированию ВЭУ на определенной территории и строительству ВЭС. Энергия, выработанная всеми ВЭУ, расположенными на ВЭС, объединяется и продается по контракту коммунальным компаниям. Начиная с первой половины 80-х годов, большие ВЭУ стали разрабатываться для ВЭС, строящихся в "ветровых ущельях" Калифорнии.

Большие ВЭУ (обычно 400-600 кВт), установленные на одной ВЭС, обычно объединены и формой собственности. В США ВЭС принадлежат частным энергетическим компаниям, а не коммунальным службам. И хотя вначале существовали проблемы с плохо сконструированными агрегатами и чрезмерно алчными продавцами, все же ВЭС стали наиболее эффективным способом производства электроэнергии за счет энергии ветра. В Калифорнии сейчас работает более 16 тысяч больших ВЭУ, а выработанная ими энергия достаточна для обеспечения такого города как Сан- Франциско. Стоимость больших ВЭУ значительно понизилась, и сегодня даже наиболее консервативные представители энергокоммунальных компаний США предсказывают рост числа ВЭС в ближайшем десятилетии, причем в других штатах страны. Согласно недавно проведенному в США исследованию, штат Северная Дакота был окрещен "Саудовской Аравией ветроэнергетики".

ОФШОРНЫЕ ВЭС ИЛИ ВЭС МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Успех первых офшорных ВЭС, установленных на мелководье в прибрежной зоне, вызвал огромный интерес к использованию ветрового потенциала прибрежных зон, особенно после того, как количество подходящих для ветроэнергетики площадок на суше уменьшилось из-за повсеместной установки "сухопутных" ВЭУ. В море ветер дует сильнее, а большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. Оба эти фактора имеют огромное значение для дальнейшего крупномасштабного развития офшорной ветроэнергетики. Во-первых, увеличение средней скорости ветра на 10% может привести к возможному приросту выработанной энергии на 30%. Во-вторых, использование континентального шельфа глубиной до 30 м и расстоянием от берега до 30 км предполагает значительные экономические преимущества. В условиях будущего технологического прогресса, например, плавучие ВЭС или высоковольтные линии передач постоянного тока смогут помочь в освоении глубоководных территорий Средиземноморья и других пригодных для ветроэнергетики участков, расположенных как за пределами Европы, так и на отдаленных морских территориях. В недавно проведенном исследовании в рамках европейской программы по энергетике "без атомной энергии" - JOULE потенциал использования офшорной ветроэнергетики в странах Евросоюза был оценен величиной, в два раза превышающей современное потребление энергии.

В 90-х годах были предприняты первые многообещающие шаги по развитию офшорных технологий и накоплению опыта. Была обоснована возможность создания и развития офшорной ветроэнергетики. Учитывая существующую потребность в экологически чистой энергетике, появление новой технологии было отмечено как значительный вклад в решение проблемы энергообеспечения в Европе. Кроме того, внедрение офшорных технологий имеет меньше ограничений с точки зрения охраны окружающей среды, чем наземных, благодаря наличию огромных подходящих территорий и более мягких требований к шуму. В целом, перспективы офшорной ветроэнергетики оценены весьма положительно. Сегодняшние инвестиции в эту технологию можно рассматривать как подготовку к огромному энергетическому рынку завтрашнего дня. Офшорная ветроэнергетика является особенно обещающей в странах с высокой плотностью населения и, следовательно, испытывающих недостаток в подходящих для ветроэнергетики площадках, расположенных на суше.

Капитальные затраты на строительство ВЭУ морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на офшорных ВЭУ существенно выше. Датские электроэнергетические компании объявили о планах строительства ВЭС суммарной установленной мощностью до 4000 МВт в офшорных зонах после 2000 года. Ожидается, что запланированные офшорные ВЭС выработают 13,5 ТВт·ч электроэнергии, что соответствует 40% потребления электроэнергии в Дании. Четыре офшорных участка (площадью 135-500 км2 и глубиной 5-15 м) оценены в качестве подходящих для установки ВЭУ при условии решения ряда вопросов, связанных, например, с экологией, ландшафтом, рыболовством, обороной, связью, транспортом или национальными памятниками. Себестоимость 1 кВт·ч выработанной энергии при условии ссуды на 20 лет и 5% скидки оценивается на уровне 0,05 долларов США.

Весной 1998 года 5 демонстрационных проектов по строительству офшорных ВЭС были реализованы в Дании, Нидерландах и Швеции. Технические характеристики этих станций выглядят следующим образом: использовались ВЭУ среднего размера, класса 500 кВт; общая установленная мощность ВЭС до 5 МВт; глубина воды менее 10 м; достаточно близкое расстояние от берега - от 40 м до 6 км. Стоимость выработанной энергии на пилотных ВЭС значительно превышала показатели традиционных ВЭС, установленных на хорошем, с точки зрения ветроэнергетики, участке. Однако "План работы для больших офшорных ВЭС", существующий в Дании, отмечает, что стоимость энергии, выработанной на офшорных ВЭС, конкурентоспособна со стоимостью энергии, выработанной на береговых ВЭС, установленных на среднестатистических площадках. Более того, стоимость энергии, выработанной за счет ветра, близка или находится в диапазоне цен на энергию, выработанную за счет других источников энергии.

Первая в мире офшорная ветростанция находится к северу от острова Лолленд (южная часть Дании). ВЭС Виндеби, построенная в 1991 году коммунальными службами SEAS недалеко от Балтийского побережья Дании, состоит из одиннадцати ВЭУ мощностью 450 кВт каждая. Они установлены на расстоянии от 1,5 до 3 км к северу от береговой линии острова Лолленд, поблизости от населенного пункта Виндеби. ВЭУ были спроектированы так, чтобы высоковольтные трансформаторы находились непосредственно в башнях, а входные двери располагались выше, чем обычно. На станции установлены также две анемометрические мачты для изучения ветровых условий, в частности, турбулентности. Проект был выполнен безупречно. Несмотря на то, что производство электроэнергии несколько уменьшено из-за существующего препятствия для потока ветра со стороны острова Лолленд, все же оно превышает на 20% показатели аналогичных береговых станций.

Офшорная ВЕС в Дании (Vindeby)


Вторая в мире офшорная ВЭС расположена также в Дании, между полуостровом Ютландия и маленьким островом Туна. Офшорная ВЭС Туна Кноб в Каттегатском море, построенная в 1995 году коммунальными службами Msdtkraft, расположена в районе, где глубина составляет 3-5 м. Эта территория имеет большую экологическую ценность как район обитания множества птиц и как живописная часть прибрежной ландшафтной зоны. Кроме того, во время планирования ВЭС было выполнено тщательное археологическое исследование участка. ВЭС состоит из десяти 500 кВт горизонтально-осевых ВЭУ с регулируемым наклоном лопастей. Ротор каждой машины имеет диаметр 39 м, состоит из 3 лопастей и является наветренным. Турбины установлены на специально разработанных бетонных фундаментах с кессонами. ВЭУ подсоединены к центральной энергосистеме Ютландии 6-километровым подводным кабелем. Работа каждой турбины контролируется дистанционно из центра управления, расположенного в Хасле. Система контроля постоянно собирает все необходимые данные, которые передаются по системе радиосвязи от каждого датчика каждой турбины на компьютеры в Хасле. Согласно обычной программе по обслуживанию и ремонту ВЭС, проведение регламентных работ непосредственно на ВЭС необходимо лишь 2 раза в год.

ВЭУ были специально разработаны для работы в морских условиях. Для замены основных компонентов, например, таких как генераторы, не прибегая к помощи плавучих кранов, каждая оборудована электрическим подъемным краном. Коробки передач также были модернизированы, что позволило на 10% увеличить частоту вращения по сравнению с турбинами традиционных ВЭС. В результате производство электроэнергии увеличилось приблизительно на 5%. Подобная модернизация осуществима в условиях морского пространства, так как для ВЭС, которая находится в 3 км от острова Туна и в 6 км от полуострова Ютландия, не существует особых проблем, связанных с распространением шума. Результаты работы ВЭС оказались отличными: выработка энергии оказалась выше расчетной. Так, на ноябрь 1995 года ВЭС выработала 1,3 ГВт·ч электроэнергии, что на 40% превысило предполагаемую величину. Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии оценивается на уровне 0. 49 датских крон (около 0.07 центов США) при годовой производительности в 15 ГВт·ч. Затраты на строительство ВЭС Туна Кноб оценены в 78 млн. датских крон (около 12 млн. евро).

Уровень шума от работы офшорной ВЭС на ближайшем к станции острове Туна составляет 15 децибел (тише, чем человеческий шепот), на территории Ютландии шума не слышно совсем.

МАЛЫЕ ВЕТРОТУРБИНЫ

Малые ВЭУ могут быть подсоединены к центральной энергосистеме или использоваться автономно, т.е. без подсоединения к общей сети. Связанные с энергосистемой ВЭУ уменьшают потребление коммунальными службами электроэнергии, необходимой для освещения, работы электроприборов и отопления. Если ВЭУ производит больше электроэнергии, чем необходимо для данного хозяйства, избыток может быть продан в центральную сеть, причем, благодаря современным технологиям, переключение происходит автоматически.

Автономные ВЭУ идеально подходят для домов, ферм или общинных хозяйств, находящихся в удалении от высоковольтных линий. При соблюдении определенных условий может быть использована любая модель ветряка.

Малые ВЭУ, обеспечивающие электроэнергией домашнее хозяйство или работу водяных насосов - наиболее интересные примеры использования энергии ветра на отдаленных территориях. Подобные ветроустановки представляют особый интерес для развивающихся стран, где миллионы сельских хозяйств еще долго не будут присоединены к единой энергосети, продолжая использовать для освещения свечи или керосиновые лампы, а радио или другие электробытовые приборы будут работать лишь на батареях. Мощность ВЭУ, используемых для частного хозяйства, варьируется от нескольких Вт до нескольких тысяч Вт, и они могут использоваться в экономном режиме в зависимости от количества потребляемой энергии.

В областях, где средняя годовая скорость ветра более 5 м/сек, можно использовать простые ВЭУ с выработкой энергии от 100 до 500 Вт. Этого количества электроэнергии достаточно для подзарядки аккумуляторов и обеспечения электропотребления частного дома. При выборе ВЭУ семья обычно уделяет большое внимание вопросу, связанному с количеством вырабатываемой электроэнергии и количеством услуг, получаемых от работы ВЭУ (освещение, обеспечение работы радио, телевизора и других бытовых приборов). Однако, высокая стоимость готовой ветросистемы, составляющая от нескольких сотен до тысячи долларов США, являлась препятствием для многих семей в развивающихся странах.

ВЕТЕР "ПРОТИВ" ДИЗЕЛЯ И РАСШИРЕНИЯ ЭНЕРГОСЕТЕЙ

Использование малых ВЭУ часто имеет ряд социально-экономических преимуществ перед использованием дизельных генераторов или расширением существующей энергосистемы. Ветросистема меньше по размеру, она представляет собой единый модуль и необходимо меньше времени на ее установку, чем на работы по расширению существующей энергосистемы. Во многих странах продление высоковольтной линии передач на расстояние в 1 км будет стоить дороже, чем малая ВЭУ небольшой установленной мощности. С другой стороны, по сравнению с дизельными генераторами первоначальная стоимость ВЭУ выше, но с точки зрения пользователей они намного лучше в работе. Некоторые агентства с благотворительной целью поставляют дизельные генераторы в страны третьего мира бесплатно, но затраты, связанные с их эксплуатацией (топливо, обслуживание, ремонт, запчасти) ложатся на плечи местного населения. Естественно, что для решения этих проблем необходима твердая валюта, а ее отсутствие вызывает резкое ограничение по использованию генераторов и сроку их службы. Многим странам приходится импортировать ископаемое топливо, и потребность в дизельном топливе увеличивает нагрузку на импорт. В подобных случаях малые ВЭУ могут быть лучшей альтернативой.

Экономические расчеты для малых ВЭУ показывают их конкурентоспособность, особенно это справедливо для ветротурбин мощностью более 250 Вт. На территории, где средняя скорость ветра превышает 4 м/сек, установка ВЭУ для ежедневной выработки электроэнергии до 1 кВт·ч будет дешевле, чем использование дизельного генератора, расширение энергосети или установка фотоэлектрических систем. Подобные ветровые показатели характерны для большинства развивающихся стран. При необходимости более высокой ежедневной выработки энергии "экономика" ветроэнергетики становится еще лучше. Например, ВЭУ мощностью 10 кВт уже при скорости ветра в 3-3,2 м/сек становится рентабельной. Территорий, где скорость ветра менее 3 м/сек, не так уж много.

На территории Монголии, например, действуют 50 тысяч малых ВЭУ. Подобный успех стал возможен благодаря благоприятным климатическим условиям и последовательной маркетинговой политике. Минимальная ежемесячная скорость ветра более 5 м/сек, существующая в течение года на обширных степных территориях, является залогом бесперебойного обеспечения кочевников электроэнергией. Использование электрического освещения, радио и телевещания представляют собой те немногочисленные современные удобства, которые доступны людям, проживающим в этих отдаленных местах. Несколько частных компаний, конкурируя друг с другом, разработали дешевые и доступные модели ВЭУ. Местные власти субсидируют до 50% стоимости оборудования.

СТОИМОСТЬ

Малые ВЭУ являются привлекательной альтернативой или дополнением для людей, у которых энергопотребление, необходимое для бизнеса или дома, превышает 100-200 Вт. В отличие от фотоэлектрических систем, у которых, в основном, себестоимость электроэнергии не зависит от площади фотоэлектрических батарей (ФЭБ), себестоимость электроэнергии, выработанной за счет ветра, уменьшается пропорционально увеличению размера установки. Например, 1 Вт установленной мощности 50 Вт-ной ВЭУ будет стоить около 8 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт ФЭБ - 5 долларов США. Поэтому при прочих равных условиях фотоэлектричество обойдется дешевле. Но с увеличением размеров ВЭУ понижается стоимость 1 Вт установленной мощности: для ВЭУ мощностью 300 кВт 1 Вт мощности будет стоить до 2,5 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт мощности ФЭБ 300 кВт будет по-прежнему стоить 5 долларов США. Для ВЭУ установленной мощности 1500 Вт удельная стоимость понизится до 2 долларов США за 1 Вт, а для ВЭУ установленной мощности 10 000 Вт стоимость (без учета электроники) будет 1,50 доллара США за 1 Вт. Стоимость систем управления и контроля для ФЭБ по существу такая же, как и для ВЭУ. Стоимость электропроводки для ФЭБ выше, чем для ВЭУ.

КОМПОНЕНТЫ МАЛЫХ ВЭУ

Ветросистемы, применяемые в отдаленной или сельской местности, по существу имеют те же компоненты, что и ФЭБ. Большинство моделей подобных ВЭУ разработано для зарядки аккумуляторов, поэтому они снабжены регулятором для предотвращения перегрузки. Регулятор специально разрабатывается под каждую ВЭУ. Регуляторы, работающие с ФЭБ, не подходят для ВЭУ, так как они не предназначены для работы с напряжением переменного тока, что характерно для ВЭУ.

Малые ВЭУ обычно состоят из лопастей, генератора переменного тока, регулятора и электронной системы контроля. Лопасти обычно производят из углеродного композитного волокна, которое "скручивается", когда турбина выходит на режим номинальной мощности. Благодаря этому эффекту "скручивания" волокна изменяется форма лопасти, что в свою очередь действует как тормоз для лопасти, останавливая ее. Это смягчает работу генератора переменного тока, предотвращая повреждения, которые могут быть из-за сильного ветра.

Некоторые модели малых ВЭУ не имеют тормозов, и во время сильного ветра они могут менять ориентацию относительно ветра

Генератор переменного тока разработан таким образом, чтобы максимально использовать энергию ветра. Он снабжен постоянными магнитами и обычно не имеет щеток, что повышает его эффективность и удлиняет срок действия без специального обслуживания.

Электронная система контроля поддерживает нужную нагрузку на генераторе переменного тока, предотвращая, таким образом, превышение скорости, независимо от состояния батареи. Во время зарядки батареи регулятор периодически "проверяет" линию, следя за потерями напряжения и контролируя состояние батареи. В момент, когда батарея полностью зарядилась, регулятор "отключает" заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛЫХ ВЭУ

Как уже было сказано ранее, ветроэнергетика является экономически выгодной альтернативой дизельным генераторам для жителей отдаленных областей. В частности, малые ВЭУ в основном используются сельскими жителями для таких целей:

подъем воды и получение сжатого воздуха;

производство электроэнергии (таким образом, содействуя развитию современных технологий, работающих на электричестве);

осуществление механического привода.

ПОДЪЕМ ВОДЫ

Энергия ветра всегда широко использовалась человечеством для подъема воды. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских неэлектрифицированных районах. Они используются фермерами в первую очередь для обеспечения питьевой водой, а также водой, необходимой для хозяйственных нужд. Водяные насосы, работающие за счет ветра, широко используются жителями развивающихся стран, у которых интерес к этой технологии очень высок из-за важности обеспечения водой сельскохозяйственных районов, а также благодаря простоте в обслуживании. В редких случаях можно предположить, что ВЭУ может обеспечивать все 100% необходимой электроэнергии. Как правило, ВЭУ применяются в комбинации с другими источниками энергии, имеющимися в наличии в каждом отдельном случае.

Это означает, что для обеспечения водой, как питьевой, так и хозяйственной для ирригационных или дренажных работ, необходимо установить подходящую комбинацию различных насосных систем, а также систему хранения воды. При необходимости ежедневного подъема воды в количестве до 10 м3 системы ручных (или ножных) насосов, лебедок, а иногда и насосы, работающие за счет энергии Солнца, являются прекрасным дополнением для насоса, работающего за счет энергии ветра. Но, если ежедневная потребность в воде увеличивается, дизельные или электрические насосы становятся более конкурентоспособными.

Вопрос выбора правильной комбинации насосных систем с точки зрения экономики и местных условий зависит от разнообразия физических, социально-экономических и социально-культурных условий, характерных для данной местности. Все эти условия, которые мы не будем детально обсуждать в связи с ограниченностью нашего курса, имеют большое значение при планировании водоснабжения сельских районов. Причины неудачно проведенных проектов по внедрению водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, заключаются в несоблюдении одного или большего количества этих условий или предпосылок.

Так, например, комбинация ветрового и ручного насосов может быть правильным решением для снабжения водой населения при условии, что в этом районе ветровой потенциал в течение года достаточен для работы ветряка. Если необходима небольшая ирригационная система, то небольшой передвижной дизельный насос, которым могут пользоваться несколько фермеров, является наиболее удобным дополнением к ветряку.

Еще один фактор, влияющий на широкомасштабное внедрение ветровых насосных установок - это финансовая и техническая возможность потенциальных потребителей, как, впрочем, и наличие маркетинговых и сервисных служб на конкретном рынке.

Сейчас на рынке существуют несколько производителей ветровых насосных установок. Эти системы предназначены для подъема воды при скорости ветра 2-4 м/сек из скважин глубиной до 1000 метров. Типичная ветровая насосная установка, имеющая 3-х метровый ротор, может поднять до 2000 литров воды в час с глубины до 10 м при скорости ветра, равной 3 м/сек. Ветряк с 7-метровым ротором может "поднять" до 8000 литров воды в час при тех же условиях. Подобные агрегаты можно использовать для ирригации во время работ по восстановлению почвы или для водоснабжения отдаленных районов. Ветряки легко устанавливаются и просты в обслуживании.

ИРРИГАЦИЯ

Использование энергии ветра для ирригационных целей кажется проблематичным, так как потребность в воде и наличие необходимых ветровых условий подвержены сильным изменениям на протяжении года. Хороший и, самое главное, постоянный ветровой потенциал необходим для того, чтобы использование ветряков в ирригационных работах было целесообразным. В целом средняя годовая скорость ветра, равная 4 м/сек, является необходимой предпосылкой для того, чтобы использование ветровой насосной установки в ирригационных работах было рентабельно.

Типовой проект по использованию ветровой насосной установки для ирригации был реализован в Индонезии. Сезон дождей в этой области короткий, и традиционно фермеры собирают один урожай риса в году. Во время сухого сезона, который длится около 75% времени, рисовые плантации используются к качестве пастбищ для крупного рогатого скота. Многие территории обладают значительными грунтовыми водными ресурсами, которые можно использовать для ирригации земли. В большинстве случаев для подъема воды используются маленькие керосиновые насосы мощностью 5 лошадиных сил. Эти насосы недороги, а затраты на топливо частично субсидируются правительством. Однако срок их службы составляет всего несколько лет и работают они с малой эффективностью, так что общие затраты за весь период их работы весьма высоки. Первоначальная стоимость малых ВЭУ выше, но общие затраты по их эксплуатации в течение всего срока службы достаточно низкие. Проект в Оесао, где грунтовые воды находятся на глубине всего 2-5 м, основан на применении ВЭУ, приводящей в движение центробежный насос, установленный на поверхности земли. Насос работает от переменного тока, а его скорость изменяется в соответствии с изменением скорости ротора ветряной турбины. Максимальная нагрузка - 3 л/сек. Система не требует топлива и регулярного обслуживания. Керосиновый насос используется в виде запасного. Система в Оесао была установлена в 1992 году в виде экспериментального демонстрационного проекта. С тех пор в Индонезии было установлено еще 15 подобных систем. В стране планируется установка большого количества малых ВЭУ для ирригационных работ.

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Ветер является превосходным источником энергии для телекоммуникационных объектов, так как высота и расположение площадок, подходящих для установки антенн, также подходят и для ветроустановок. Но ВЭУ, которые используются в подобных местах, должны быть особенно прочными из-за суровых климатических условий в горах.

ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

Весьма удобно использовать малые ветротурбины для зарядки аккумуляторов и их использования для освещения и работы бытовой техники. Хранение выработанной с помощью ветра электроэнергии в аккумуляторах дает возможность домовладельцу использовать эту энергию тогда, когда это необходимо. Многие модели малых ВЭУ дают напряжение от 14 до 28 В. Некоторые модели вырабатывают более высокое напряжение. Напряжение в 12-24 В может использоваться непосредственно для приборов постоянного тока или инвертироваться в 220 В переменного тока. Для питания стандартных бытовых приборов лучше вначале зарядить аккумулятор, чтобы избежать нагрузки на ВЭУ, так как при низкой скорости ветра может остановиться ротор.

СОХРАНЕНИЕ ТЕПЛА

Если существует потребность в горячей воде, то ее можно нагреть при помощи специального нагревателя, работающего на электроэнергии, выработанной за счет энергии ветра. Нагреватель обеспечивает стандартный резервуар горячей водой. Хранить электроэнергию в аккумуляторе дороже, чем получить горячую воду. Простейшая система для нагрева воды включает в себя термостат, предотвращающий закипание воды. Нагреватель должен соответствовать параметрам ВЭУ: если используется 1 кВт энергии, то нагреватель также должен быть мощностью в 1 кВт.

КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ "ВЕТЕР-СОЛНЦЕ"

Ветер и солнце могут отлично дополнять друг друга: зимой, когда часто дует ветер, комбинированные системы "ветер-солнце" могут, например, отапливать помещения, а летом, когда в избытке солнечной энергии - нагревать воду. Подобные гибридные системы особенно привлекательны для автономного электроснабжения. Эти системы представляют собой самообеспечивающие станции, не присоединенные к единой энергосистеме. Производительность фотоэлектрической батареи достаточно высокая летом и относительно низкая зимой. Это означает, что для годового энергообеспечения работа автономной ФЭБ будет характеризоваться перепроизводством летом, и к тому же необходимо организовать хранение выработанной энергии. Однако оба эти решения являются очень дорогостоящими. В свою очередь, обеспечение электроэнергией, выработанной за счет энергии ветра, в летнее время является проблематичным из-за частых безветренных дней. Поэтому преимущества гибридной системы "ветер-солнце" становится очевидным.

На существенный вопрос о процентном соотношении между мощностными характеристиками ВЭУ и ФЭБ в комбинированной системе должен ответить разработчик данного объекта. Естественно, что при выборе многое зависит от необходимого годового объема электроэнергии и существующих местных климатических условий.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ НА ЭКОЛОГИЮ

Во многих странах мира, особенно в тех, где существует нехватка электроэнергии, люди с радостью приветствуют строительство ВЭУ. Однако там, где существует альтернативный выбор, использование того или другого источника энергии связано с его воздействием на экологию. Необходимо отметить, что воздействие на экологию того или иного источника энергии может быть оценено как положительно, что естественно дает преимущество для данного источника энергии, так и отрицательно. В этом разделе мы приведем основные "экологические" аргументы, чаще всего встречающиеся у оппонентов ветроэнергетики.

АКУСТИКА

Шум в основном производят вращающиеся лопасти и работающие механические части ВЭУ, в первую очередь коробки передач. Из-за того, что шум, по существу, является признаком неэффективности, а также из-за многих жалоб, производители ветротурбин уделили этому вопросу первостепенное значение. В результате - за последние пять лет им удалось значительно понизить уровень шума, производимый работающими ВЭУ. Критическим считается уровень шума в 40 децибел, но если рассматривать шум как помеху для сна, то, естественно, этот уровень должен быть ниже. Допустимый уровень обычно достигается на расстоянии около 250 м от установленной ВЭУ. Тем не менее, вопрос отношения к шуму является и чисто психологическим; владелец машины, возможно, воспринимает шум, производимый работающим агрегатом как признак процветания, в то время как его соседи могут быть раздражены вторжением в "их пространство".

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ

ВЭУ должны быть отделены друг от друга, по меньшей мере, расстоянием, равным высоте пяти - десяти башен. Это расстояние позволяет потоку ветра восстанавливаться, а турбулентность, созданная работой ротора одной ВЭУ, не влияет на работу соседней ВЭУ, находящейся в подветренной стороне. Соответственно, получается, что только 1% земли, занятой под ВЭС, реально используется под установку башен и под подъездные пути. Чем выше и мощнее ВЭУ, тем большее расстояние необходимо между соседними ВЭУ. Мегаваттные машины должны быть разделены расстоянием в полтора километра. Территория между ВЭУ не может использоваться ни под строительство зданий, ни под лесоводство.

ЗРИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

На равнинной местности ВЭУ всегда видны с дальнего расстояния. Необходимость в большом расстоянии между ВЭУ означает, что ветряки потенциально могут быть видны с расстояния в десятки километров. Однако на таких расстояниях для большинства людей вид на ВЭС будет "закрыт" разными строениями, деревьями, холмами. Чаще всего на ВЭУ обращают внимание проходящие или проезжающие мимо люди и летчики. Для последних существует опасность столкновений с ВЭУ во время низкого полета. Визуальное воздействие офшорных ВЭС в полной мере пока еще не определено.

СТОЛКНОВЕНИЕ С ПТИЦАМИ

Птицы часто сталкиваются с высоковольтными линиями передач, мачтами, антеннами, окнами зданий. Они также погибают из-за столкновения с проезжающими автомобилями. ВЭУ редко вредят птицам. Наблюдения, проведенные в Тъяереборге ( западная часть Дании), где установлена турбина мощностью 2 МВт, имеющая ротор диаметром 60 м, показали, что птицы изменяли маршрут своего полета (вне зависимости от времени суток) на расстоянии 100-200 м до установленной ВЭУ, пролетая над ней на безопасном расстоянии. В Дании есть несколько видов птиц (в частности, соколы), которые полюбили гнездиться на башнях ВЭУ. Единственная территория, печально известная из-за проблем с птицами, находится в районе каньонов в штате Калифорния (Альтамонт Пасс). "Стена ветра", образованная турбинами, установленными на башнях решетчатого типа, буквально перекрыла выход из каньона. И как результат - было зафиксировано несколько случаев гибели птиц из-за столкновения с ВЭУ. В отчете Министерства экологии Дании отмечается, что линии электропередач, в т. ч. и от ВЭС, представляют собой большую опасность для жизни птиц, чем непосредственно сами ВЭУ. Некоторые виды птиц "привыкают" к ВЭУ быстро, другим требуется более длительный срок. Поэтому решение вопроса строительства ВЭС поблизости от мест обитания птиц зависит и от видов птиц, распространенных в данной местности. При разработке места под строительство ВЭС обычно также учитываются и маршруты миграции птиц. Офшорные ВЭС практически не влияют на среду обитания водоплавающих птиц. Подобное заключение было сделано в результате трехлетнего исследования, проведенного на Датской офшорной ВЭС Туна Кноб.

Было проведено несколько независимых исследований, связанных с гибелью птиц от вращающихся лопастей турбины. К сожалению, подобное случается, но значительно реже, чем гибель птиц из-за столкновений с автомобилями, окнами зданий или высоковольтными линиями электропередач. Аргументом в защиту ВЭС, также проверенным экспертами, является тот факт, что земля вокруг ВЭУ предоставляет прекрасные условия для размножения птиц.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ

Проводники электрического тока могут создавать помехи в работе телевизионных, радио и радарных установок. Металлические части вращающихся лопастей могут оказывать волновое воздействие на сигналы. Установить ретрансляторы для телевизионных и радио сигналов несложно, однако это не очень дешево. Помехи, возникающие на радарных установках, пока в значительной степени еще не доказаны, но они в большей степени относятся к сфере интересов военных. Тем не менее, ВЭУ стали современной реалией сегодняшнего дня, и военным во всем мире также нужно с этим считаться. Существует много ВЭС, расположенных вблизи аэродромов, и никаких существенных проблем не возникает.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Так как ВЭУ должны конкурировать с другими производителями энергии, то важно, чтобы их стоимость была конкурентоспособной. ВЭУ должны соответствовать любым требованиям по нагрузке и вырабатывать энергию с минимальными финансовыми затратами. Когда Вы решили, что пришло время приобрести и установить ВЭУ, в первую очередь необходимо определить количество необходимой Вам энергии и среднюю скорость ветра на высоте ротора. Иногда кажется, что регион обладает достаточным ветровым потенциалом, по крайней мере, в определенное время. Но можно ли быть уверенным, что генератор будет работать в оптимальном режиме в соответствии со скоростью ветра? Наиболее простое решение следующее: необходимо фиксировать скорость ветра на выбранном Вами участке в течение, по меньшей мере, одного года, а затем сравнить полученные результаты с архивными данными метеостанции, зарегистрированными в этом регионе на протяжении нескольких лет. Другой вариант: заключить контракт с консалтинговой компанией, которая подготовит технико-экономическое обоснование строительства ВЭУ на данном участке. Вы получите информацию о средней ежегодной скорости ветра и о максимальном количестве энергии, которое ВЭУ сможет выработать в данных условиях. Естественно, что выбор способа зависит от объема капиталовложений, которое Вы можете или хотите себе позволить под строительство ВЭУ. В случае с малыми ВЭУ, приобретение и установка которых требует относительно небольших затрат, нелогично тратить на исследование территории сумму большую, чем стоимость самой ветроустановки.

Без детального предварительного исследования участка, планирующегося под ВЭУ, и без наличия реальных данных о средней скорости ветра невозможно выбрать подходящую ВЭУ. В отличие от ФЭБ и малых ГЭС, правильный выбор которых зачастую осуществляет сам потребитель, при выборе ВЭУ необходимо участие специалиста в области ветроэнергетики. В этом разделе мы приведем некоторые руководящие принципы для определения размера малой ВЭУ и выбора участка под ее установку.

ВЫБОР УЧАСТКА

Холмы или горные хребты, находящиеся на открытом ландшафте, обычно считаются превосходным местом для ВЭУ. В частности, ВЭУ, установленная на большом участке, открытом для преобладающего направления ветра, всегда будет иметь преимущества. На холмах скорость ветра выше по сравнению с окружающей равнинной территорией. Необходимо помнить, что ветер может менять свое направление прежде, чем достигнет холма, так как область высокого давления фактически расширяется на некотором расстоянии перед холмом. Кроме того, пройдя через ротор турбины ветровой поток становится беспорядочным. Также необходимо помнить, что турбулентность, значение которой резко увеличивается в случае крутого холма или его неровной поверхности, может свести на нет преимущества более высокой скорости ветра.

РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ПРЕПЯТСТВИЕМ И ВЭУ

Расстояние между препятствием и ВЭУ очень значимо из-за эффекта "покрытия". Вообще, действие этого эффекта уменьшается по мере отдаления от препятствия подобно тому, как растворяется высоко в небе хвост дыма над дымовой трубой. На территории с очень слабой степенью неровности, например, водная поверхность, влияние препятствия, например острова, может быть ощутимо на расстоянии до 20 км. Если турбина находится на расстоянии меньшем, чем пятикратная высота препятствия, результаты влияния менее предсказуемы, поскольку они зависят от формы препятствия.

НЕРОВНОСТЬ

Неровность ландшафта, расположенного между ВЭУ и препятствием, имеет существенное значение, так как она влияет на степень эффекта "покрытия". Более равнинная территория позволяет ветровому потоку, проходящему вне препятствия, легче смешиваться с турбулентным потоком, образующимся позади препятствия, что в свою очередь значительно ослабляет действие и значимость воздушных помех. Практика доказала необходимость оценивать каждое конкретное препятствие, расположенное по отношению к ветротурбине в преобладающих направлениях ветрового потока на расстоянии ближе, чем 1000 м. Остальные имеющиеся препятствия оцениваются согласно классам неровности поверхности.

ВЫСОТА ПРЕПЯТСТВИЯ

Чем выше препятствие, тем большими будут воздушные помехи, называемые "воздушным аэродинамическим мешком". Если турбина находится на расстоянии от препятствия ближе, чем его пятикратная высота, или препятствие выше, чем половина высоты установки оси ротора, результаты будут менее точными, так как они будут зависеть от геометрии препятствия. В таком случае, в результатах обследования местности ветровых условий будет соответствующий комментарий, предупреждающий о неточности.

ЭФФЕКТ СЛЕДА ОТ ТУРБИНЫ

Так как турбина вырабатывает электроэнергию из энергии ветра, то энергия ветрового потока, "прошедшего через турбину" будет меньше энергии ветрового потока перед турбиной. Это следует из факта, что энергия не может быть создана из ничего или бесследно поглощена. В подветренном от ВЭУ направлении будет всегда образовываться воздушный мешок. Фактически, позади турбины всегда будет турбулентный след, то есть длинный хвост ветрового потока, который является весьма беспорядочным и замедленным по сравнению с прибывающим ветром. На ВЭС ветротурбины стоят друг от друга на расстоянии, равном, по крайней мере, тройной длине диаметра ротора во избежание влияния слишком большой турбулентности вокруг ВЭУ, расположенных в подветренном направлении. В преобладающих направлениях ветра турбины устанавливаются обычно еще более обособленно.

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Турбулентность уменьшает возможность эффективного использования энергии ветра. Она также является причиной ускоренного износа машины. Башни для турбин обычно делают достаточно высокими, чтобы избежать турбулентности, образующейся над поверхностью земли.

СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА

Как уже отмечалось выше, чтобы правильно выбрать площадку и размер ВЭУ, необходимо иметь информацию о средней скорости ветра на данном участке. Средняя скорость ветра в течение года используется для характеристики общего ветрового потенциала местности. Данные по более коротким промежуткам времени (ежемесячные, часовые) используются в более точных исследованиях, когда отношение между периодом наличия ветра и потребностью в электроэнергии особенно важно. Временные изменения скорости ветра на конкретном участке описываются относительной вероятностью того, что скорость ветра в любой момент может быть больше или меньше средней. Типичное распределение скорости ветра (зачастую называемое распределением Рэлея, иногда - распределением Вейбулла) обычно обозначает, что существует малая вероятность полного отсутствия ветра; наиболее часто наблюдаемая скорость ветра составляет 75% от средней; скорость ветра, вдвое превышающая среднюю, встречается редко.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА

Нельзя оценивать энергию ветра, не проведя тщательного измерения его скорости, характерной для данной местности. В большинстве случаев 4 месяца - минимальный период наблюдений, хотя период в 1 год более предпочтителен. Если Вы планируете инвестировать большую сумму в ВЭУ, дополнительные 8 месяцев наблюдений могут определить различие между плохим и хорошим капиталовложением.

Измерение скорости ветра обычно проводится при помощи чашечного анемометра, представляющего собой три чашки, укрепленные на вертикальной оси. Число оборотов в минуту регистрируется при помощи электронных устройств. Обычно анемометр оснащен флюгером для определения направления ветра. Также есть ультразвуковые и лазерные анемометры, которые определяют перемену фазы звуковой волны или когерентного света, отраженного от молекул воздуха. Спиральные анемометры измеряют скорость ветра через разницу температур с помощью спиралей, помещенных в ветровой поток и в воздушный мешок с подветренной стороны. Преимущество немеханических анемометров состоит в том, что они менее подвержены обледенению. Однако повсеместное применение получили именно чашечные анемометры. В арктических областях используют специальные модели с электрически подогреваемыми валами и чашками.

Определение точной среднегодовой скорости ветра - задача не из легких и, к тому же, этот процесс достаточно дорогой. В конце концов, эти исследования могут быть и ненужными. Для установки малых ВЭУ необходимо лишь получить некоторые данные относительно среднегодовой скорости ветра на данной местности. Для этого достаточно провести наблюдения за некоторыми физическими явлениями, характерными для выбранного участка. Можно начать с визуальных наблюдений, хотя это едва ли можно назвать научным подходом. Затем имеет смысл проверить данные, которые имеются в наличии у служб аэропортов и местных метеостанций. Эти данные могут быть основой для оценки ветровых условий местности.

Данные о ветре, регистрируемые метеорологами и службами аэропортов для составления прогнозов погоды, часто используются для получения общего представления о ветровых условиях данной местности, необходимых для ветроэнергетики. Точное измерение скорости ветра не так важно для составления прогнозов погоды, как для планирования ветроэнергетических объектов. На скорость ветра большое влияние оказывают следующие факторы: неровность поверхности участка, находящиеся поблизости препятствия ( деревья, маяки, различные строения), а также контуры местного ландшафта. Без корректировки расчетов и учета местных особенностей, при которых были проведены метеорологические измерения, трудно правильно определить ветровой потенциал участка. Причиной не совсем корректных данных является, в первую очередь, то, что метеорологи измеряют скорость ветра на небольшой высоте. Они не делают замеров на высоте 20-30 метров, где обычно находится ротор ВЭУ. Данные, регистрируемые в аэропортах, также не слишком пригодны для ветроэнергетики. Обычно аэропорты находятся на более или менее защищенных от ветра территориях, чтобы снизить риск взлета и посадки во время сильного ветра. "Сырые" данные, полученные от метеостанций или аэропортовых служб, необходимо экстраполировать для местных условий, используя концепцию, известную как "фактор сдвига". Основываясь на полученных данных и учитывая топографические различия или соответствия между участком для ВЭУ и ближайшей метеостанцией или аэропортом, можно теоретически оценить среднюю скорость ветра на нужной высоте в нужном месте.

Очень простой анемометр можно сделать самому. Для этого Вам понадобится 5 бумажных чашек, две пластиковые соломинки для воды, ножницы, острый карандаш с ластиком на конце, дырокол, маленький стиплер.

Возьмите 4 чашки. Дыроколом пробейте в каждой чашке по отверстию приблизительно на полдюйма ниже края чашки. Возьмите пятую чашку. Пробейте в ней 4 отверстия на одинаковом расстоянии друг от друга на высоте около четверти дюйма ниже края чашки. Затем пробейте отверстие в центре дна чашки. Возьмите чашку №1 из чашек с одним отверстием и вставьте соломинку в отверстие. Согните конец соломинки и прикрепите его стиплером к стороне чашки поперек отверстия. Повторите эту процедуру с чашкой №2 и второй соломинкой. Теперь, продевая соломинку через два противоположных отверстия, прикрепите стиплером чашку №1 с одним отверстием к чашке с четырьмя отверстиями. Конец соломинки проденьте через отверстие чашки №3 с одним отверстием, прикрепив, таким образом, и ее к центральной чашке с четырьмя отверстиями. Таким же образом прикрепите чашки № 2 и №4 к центральной чашке с четырьмя отверстиями. Чашки нужно крепить таким образом, чтобы их отверстия были ориентированы в одном направлении (по часовой стрелке или против относительно центральной чашки). Проденьте прямую булавку через две соломинки в месте их пересечения. Сквозь отверстие в основании центральной чашки проденьте конец карандаша с резинкой. Как можно крепче воткните булавку в резинку карандаша. Ваш анемометр готов к использованию. Он будет вращаться со скоростью ветра. Подобный прибор поможет Вам точно определить скорость ветра. Для этого нужно подсчитать число оборотов в минуту. Затем вычислить длину окружности, по которой вращаются чашки. Умножив число оборотов в минуту на длину окружности, Вы получите скорость ветра в минуту. Анемометр является образцом ветрового прибора с вертикальной осью вращения. Его не нужно направлять на ветер, чтобы он вращался.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Определить ветровой потенциал местности можно еще одним способом: при помощи наблюдения за растительностью на данной местности. Деревья, особенно хвойные и вечнозеленые, часто подвержены влиянию ветра: сильный ветер может исказить форму кроны дерева. По такой деформации можно определить направление ветра. Особенно это явление типично для одиноко стоящих высоких деревьев. С наветренной стороны дерева его ветви будут редкими и чахлыми, с подветренной - длинные и горизонтальные. Осмотрите местность, обратив особое внимание на отдельно стоящие деревья и на деревья, растущие на краю лесных массивов (деревья в лесу защищают друг друга от сильного ветра). Хотя деформация деревьев является подтверждением наличия ветрового потенциала на данной местности, ее отсутствие не является доказательством отсутствия ветра с необходимой среднегодовой скоростью . Другие факторы, о которых неизвестно наблюдателю, могут влиять на "взаимодействие ветра и деревьев".

Для грубой оценки средней скорости ветра можно использовать индексы деформации Григгса-Патмана (Griggs-Putman)

ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА

Помимо значения средней скорости ветра существует еще ряд параметров, необходимых для определения ветрового потенциала. К этим параметрам относятся: максимальная скорость ветра, количество последовательных дней (часов), когда скорость ветра превышает 5 м/сек; продолжительность периодов безветрия или постоянного ветра. Скорость ветра всегда изменяется, следовательно, изменяется и его энергия. Величина изменений зависит и от погоды, и от рельефа местности, и от наличия препятствий. Производительность ветротурбины будет изменяться с изменением скорости ветра, хотя быстрые изменения ветра будут компенсироваться инертностью ротора турбины.

Все необходимые измерения нельзя, конечно же, провести при помощи садового анемометра. Анемометр, регистрирующий все перечисленные выше данные, стоит дорого. Подобные анемометры являются, по сути, больше компьютерами, чем просто датчиками, их стоимость варьируется от 2000 до 4000 долларов США.

ВЫБОР МАЛОЙ ВЭУ

Правильно выбрать малую ВЭУ необходимой мощности может человек, знакомый с разными типами ВЭУ. Мало того, что ВЭУ должна быть хорошо изготовлена, необходимо, чтобы она соответствовала ветровым условиям данного участка и вырабатывала необходимое количество электроэнергии. Современные ветротурбины обычно вырабатывают ток низкого напряжения, и только большие ВЭУ дают 50(60) Гц, 120/240 В переменного тока.

Сравнивая разные модели ветротурбин, нельзя при выборе руководствоваться только номинальной мощностью. Оценивая мощность ВЭУ, изготовители могут основываться на различных скоростях ветра. Если скорости ветра, необходимые для эффективной работы двух разных турбин, отличаются, то выбор, сделанный в результате сравнения этих двух изделий, может оказаться ошибочным. Производители ВЭУ должны информировать о годовой выработке электроэнергии при различных среднегодовых скоростях ветра. Данная информация позволит точнее определить модель необходимой ветротурбины. Однако эти цифры не помогут определить реальную производительность ВЭУ на конкретном участке.

БАШНЯ (ОПОРА)

Мощность ветра пропорциональна кубу его скорости (помимо других факторов). Поэтому наиболее легкий способ увеличить энергию ветра, доступную для генератора, - это увеличить скорость ветра. Этой цели можно достичь, установив более высокую башню, или переместив ВЭУ на более ветреный участок.

Необходимо заметить, что в процентном соотношении скорость ветра увеличивается с высотой намного быстрее над местностью, загроможденной деревьями и зданиями, чем над открытой равнинной территорией. За исключением таких районов, как озера или пустыни, скорость ветра значительно возрастает с высотой. Например, скорость ветра на высоте 30 и 10 м может отличаться на 100% . Следовательно, два ветрогенератора, установленные на высоте 10 м, будут вырабатывать столько же электроэнергии, сколько один, установленный на высоте 30 м. К тому же установить одну ВЭУ с высотой башни равной 30 м намного дешевле, чем установить две ВЭУ с более низкими башнями. Золотое правило: ветрогенератор должен возвышаться над окружающими препятствиями, находящимися в радиусе 100 м, минимум на 10 м. Считается, что 15 м - это минимальная высота установки, но в принципе чем она больше, тем лучше. Большие ветротурбины обычно устанавливаются на более высоких башнях, чем малые. Например, ВЭУ установленной мощностью в 250 Вт имеет башню высотой 15-20 м, в то время как для 10 кВт-ной турбины необходима башня высотой в 20-30 м. Для эффективной работы ветротурбины башня должна быть устойчивой. Турбулентность, которая выше у поверхности земли и уменьшается с высотой, понижает производительность ВЭУ.

Для малых ветротурбин наименее дороги опоры решетчатого типа с оттяжками. Такие опоры обычно используются для любительских радиоантенн. Невысокие башни с оттяжками иногда сконструированы из трубчатых секций или труб. Для устойчивых башен, решетчетых или состоящих из трубчатых секций, нужна меньшая площадь, да и внешне они более привлекательны. Однако такие башни стоят намного дороже. Под малые ветротурбины можно использовать и телефонные столбы. Благодаря тому, что опоры, особенно с оттяжками, могут быть прикреплены к основанию на петлях, их можно поднимать или опускать при помощи лебедки или транспортного средства. Это позволяет проводить все сервисные работы на земле. Некоторые типы опор и ветротурбин легко могут быть установлены непосредственно самим покупателем, для монтажа других лучше обратиться к специалистам. Для башни любого типа, на которую в дальнейшем будут подниматься, настоятельно рекомендуется использовать устройство, предохраняющее от падения, состоящее из троса с фиксирующимся бегунком. Нужно избегать алюминиевых башен, так как они подвержены разрушению конструкции. Обычно производители турбин предлагают и такие башни. Приобретение опоры и ветротурбины одного производителя является гарантией их полного соответствия. Во время монтажа ВЭУ убедитесь, что башня (опора) прочна и надежно установлена. Небрежная установка башни может привести к падению системы. Следует иметь в виду, что башни с оттяжками дешевле и безопаснее.

ВЫБОР РЕГУЛЯТОРА

Как правило, производители ветротурбин выпускают и регуляторы для каждой определенной модели, при этом регуляторы поставляются вместе с ВЭУ. Следовательно, покупателю ветротурбины нет необходимости выбирать для нее регулятор. Регулятор контролирует напряжение в системе и при необходимости изменяет производительность ВЭУ. В современных ВЭУ используются только регуляторы шунтирующего типа, так как снятие нагрузки вызывает раскрутку турбины, что может привести к ее повреждению.

ВЫБОР АККУМУЛЯТОРА

Выбор аккумулятора для ВЭУ зависит от продолжительности периода безветрия. Из-за того, что иногда очень трудно заранее точно определить количество последовательных безветренных дней, аккумулятор ВЭУ должен быть рассчитан на большее число дней, чем аккумулятор для ФЭБ. Минимальной должна быть батарея, которая может поддержать работу ВЭУ в течение 7 дней. Если это возможно финансово, то стоит увеличить объем аккумулятора до 14 дней. Благодаря более мощному аккумулятору ВЭУ будет работать более эффективно и меньше зависеть от погодных условий.

TOP