Директор-Инфо №8'2008
Директор-Инфо №8'2008
Поиск в архиве изданий
Разделы
О нас
Свежий номер
Наша аудитория
Реклама в журнале
Архив
Предложить тему
Рубрикатор




.





 

Энергетическая автономия. Ветроэнергетические системы. Часть 2

Олег Татарников

Человечество эксплуатирует энергию ветра уже не одну сотню и даже тысячу лет. Ветер гнал по морям парусные суда, качал воду, молол зерно… В те давние времена сомнения в целесообразности использования энергии перемещения воздушных масс могли зародится разве что у чудаков.

Однако по мере развития цивилизации человечество пришло к более эффективным энергетическим установкам, а старинная идея «запрячь ветер» отошла в область так называемой «альтернативной энергетики».

В современном мире технологии с использованием энергии ветра наибольшее развитие получили в США, Дании, Германии и Испании. Сегодня на долю этих стран приходится более трех четвертей всего мирового парка ветроустановок различного типа. Но устойчивый интерес к ветроэнергетике наблюдается и во многих развивающихся странах мира, например в Индии, Китае, странах Южной Америки.

Созданием и монтажом ветрогенераторов занимается сегодня множество крупных и весьма именитых фирм. Большинство из них объединены в различные ассоциации: AWEA (Американская ветроэнергетическая ассоциация), BWEA (Британская ветроэнергетическая ассоциация) и т. д. Только крупнейшие европейские компании, такие как NORDEX, WESTAS, Enercon, ежегодно производят тысячи ветрогенераторов суммарной мощностью в несколько тысяч мегаватт.

По оценкам западных специалистов, на сегодняшний день ветроэнергетика является самым экономически эффективным из всех направлений энергетики, базирующихся на возобновляемых источниках энергии. У современных ветрогенераторов расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание не превышают одного цента за кВт·ч.

Наибольшее распространение в мире получили так называемые аксиальные ветрогенераторы с горизонтальной осью ротора, работающие по принципу ветряной мельницы. Их главное достоинство заключается в сравнительно высоком КПД (до 48 %), но таким системам присущ и ряд недостатков. Главным из них можно назвать сложность конструкции, связанную с необходимостью применения высоких и прочных башен, сложных механизмов регулирования шага лопастей и необходимостью ориентации ротора ветрогенератора по ветру. Следствием этого является высокая цена таких установок, достигающая 1 000 долларов на один киловатт мощности. Естественно, что необходимость амортизации высоких начальных затрат увеличивает и стоимость производимой электроэнергии.

Альтернативой аксиальным ветрогенераторам являются роторные, имеющие вертикальную ось вращения. Наибольшую популярность среди ветрогенераторов этого типа получила система, которую еще в 1931 году запатентовал французский инженер Georges Jeans Mary Darrieus. По имени своего создателя конструкцию называют ротором Дарье. Ветроэнергетические установки с вертикальным расположением оси менее эффективны (КПД до 45 %), но они не требуют ориентации по направлению ветра и проще конструктивно.

Однако ветрогенераторы не получили широкого распространения в России из-за отсутствия у нас стабильных воздушных потоков высокой скорости. Интенсивность ветра сильно зависит от географии. Ветроэнергетические установки выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5–4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны со среднегодовой скоростью выше 6 м/с расположены в основном на Крайнем Севере и вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны, а средняя полоса России — это зона слабых ветров.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Хотя у многих производителей заявлена минимальная скорость ветра 3 м/с (см. например, http://www.ckdnoveenergo.cz/new/ru/index.php?m=85&ms=125), но малые ветра, до 5 м/с, плохо утилизируются: на этих скоростях мало энергии. В качестве единственного источника энергии ветроэнергетические установки могут успешно конкурировать с традиционными источниками электроснабжения только в местах со среднегодовыми скоростями ветра выше 5–6 м/с (обратите внимание, что расчетная скорость ветра у вышеупомянутых ветрогенераторов, несмотря на декларируемую работу с малыми ветрами, все же указывается на уровне 11–12 м/с). Заметим, кстати, что одним из показателей надежности и эффективности ветрогенераторов является максимальная рабочая скорость ветра (на больших скоростях включается аварийное торможение во избежание поломки установки). Так вот прогресс в области проектирования и производства современных ветроэнергетических установок идет лишь в сторону увеличения этой скорости (за последние годы максимальная рабочая скорость бытовых коммерческих установок выросла с 15 до 25 м/с), а что касается эффективного использования низкой скорости ветра, то тут пока особого прогресса не наблюдается, хотя появляются уже и отечественные разработки, связанные с использованием вместо жестких лопастей гибких матерчатых парусов, позволяющих утилизировать малые ветра (http://gravio.do.am/).

Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что ветер дует почти всегда неравномерно, а следовательно, неравномерно будет работать и энергетическая установка, отдавая то большую, то меньшую мощность. Причем поток мощности может и полностью прекратится, и возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой, даже самый современный и эффективный, ветроагрегат в наших условиях будет работать на максимальной мощности лишь очень малую часть времени, а в остальное время он будет либо работать на пониженной мощности, либо вообще простаивать. Конечно, для выравнивания отдачи можно применять аккумуляторы (электрические, гидравлические или тепловые, в зависимости от типа и назначения ветроустановки), но это значительно повысит ее стоимость и снизит эффективность.

Гибридные системы

Несмотря на вышеописанные недостатки, энергия ветра — это бесплатный дар, который можно использовать где угодно, и в этом смысле разговор от эффективности переходит к разговору о себестоимости такой установки и целесообразности ее использования хотя бы в качестве резервного источника энергии.

В последние годы интенсивно стали развиваться технологии использования энергии ветра в изолированных сетях небольшой мощности. Дело в том, что в изолированных сетях электропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много раз выше, чем в централизованных сетях электропередач. И даже если у вас уже имеются установки, производящие электроэнергию на небольших двигателях внутреннего сгорания, то постоянно растущая стоимость топлива и расходы на его транспортировку поднимают стоимость единицы произведенной энергии в десятки раз от стоимости энергии в централизованных сетях электропередач. При этом в небольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являются гибкими в использовании: современный комплект генераторов на жидком топливе при необходимости можно запустить, синхронизировать и подключить к изолированной сети всего за несколько секунд. Причем изолированные сети для повышения эффективности работы, как правило, уже имеют аккумуляторы для накопления энергии, которые необходимы и неравномерно работающим ветрякам.

Таким образом, преобразование энергии ветра является хорошим дополнением для экономии дорогостоящего топлива при использовании традиционных бензиновых или дизельных генераторов. А если рассчитать проект с использованием ветроустановок совместно с генераторами на жидком топливе, то в изолированных сетях потенциал таких гибридных систем может оказаться даже выше, чему систем, подключенных в обычные сети электропередач.

Кроме того, ветрогенераторы могут оказаться очень эффективным дополнением к другим альтернативным источникам энергии даже в тех местах, где сила ветра недостаточна для полной реализации потенциала самих ветроэнергетических установок. Циклическое усиление силы ветра характерно, например, для смены дня и ночи, когда дуют так называемые бризы — ветры, дующие с суточной периодичностью по берегам морей и крупных озер, а также по берегам некоторых крупных рек. Периодический ветер (утром с воды на берег, а вечером наоборот) происходит от того, что днем земля нагревается больше, а за ночь сильнее остывает. Таким образом, если в качестве альтернативного источника энергии используются фотоэлектрические системы (солнечные батареи), то ветрогенераторы могут стать им необходимым подспорьем при снижении освещенности в сумерки. Кроме того, характерный подъем силы ветра (и, соответственно, рост эффективности ветрогенератора) наблюдается при смене погоды, когда небо затягивается облаками, что снижает эффективность работы солнечных батарей. Ну и, естественно, мы наблюдаем повышение силы ветра в нашем регионе в осенне-зимний период, когда короткий день не может обеспечить энергетические потребности при использовании фотоэлектрических систем. Таким образом, при использовании в гибридной системе в качестве альтернативных источников энергии одновременно и солнечных батарей, и ветроустановок, они органично дополняют друг друга, снижая потребность в дорогостоящих аккумуляторах и топливе для традиционных генераторов.

Чтобы установки альтернативной энергетики были доступны самым широким слоям населения и чтобы они пользовались спросом, они должны быть дешевыми. В конце концов, при разумной цене на установку можно было бы купить ветрогенератор в качестве резервного или аварийного. Но пока ветроэнергетические установки слишком дороги, чтобы покупать их без предварительной проработки и изучения эффективности применения в зависимости от географического расположения объекта. Впрочем, если ветрогенератор будет использоваться только в качестве альтернативного или резервного источника энергии, то нам нет необходимости применять мощные (и, соответственно, дорогие) системы: сегодня в продаже есть, например, ветроустановки китайского производства мощностью 0,5–1 кВт всего за 300–500 долларов, которые можно монтировать даже на крыше дома. Эти портативные генераторы с винтами около 2 м дают эффективную отдачу при ветре около 10 м/с. При работе совместно с солнечными батареями такие установки могут оказаться весьма привлекательными и необременительными в обслуживании. А если применение такого «китайца» окажется оправданным, то можно подумать и о более серьезных ветроэнергетических системах.

На Западе, где сегодня созданы благоприятные условия для развития альтернативной энергетики, собираются к 2020 году увеличить потребление за счет энергии, получаемой из возобновляемых источников, на 15 % (общее потребление электроэнергии должно возрасти к этому времени на 30 %).

Однако такие решения достигаются принятием целого комплекса мер, в том числе и в области политики, льготного налогового законодательства, государственной финансовой поддержки, льготного кредитования, создания информационной сети и системы образования, продвижения высоких технологий и подготовки общественного мнения.

Нам же остается только надеяться, что поддержанные таким образом разработки в области новейших технологий ветроэнергетики окажутся эффективно применимыми и в нашем регионе.

Экологические проблемы

К сожалению, говоря о ветроэнергетических системах, нельзя избежать упоминания о неприятных проблемах, возникающих при их эксплуатации. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и, что особенно неприятно, часть генерируемых шумов производится в спектре, неслышимом человеческим ухом, но вредно действующем на здоровье (например, еще не до конца исследовано влияние на человека вибраций и инфразвуковых колебаний с частотами ниже 16 Гц). К счастью, такие колебания, особенно от маломощных ветрогенераторов, довольно быстро затухают, так что их вредное влияние можно значительно минимизировать, поставив установку на некотором отдалении от жилья.

Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни. Впрочем, если на приусадебном участке вам досаждают кроты, мыши и другие мелкие грызуны, то ветряки их, несомненно, разгонят, причем самым экологичным способом.

Окончание следует…

 


1 Продолжение. Начало см.: О. Татарников. Энергетическая автономия // Dиректор-Инфо. — 2008. — № 7. — С. 36–40. Возврат