CC BY
25М.А. Ваничкин
НЫНЕШНЕЕ СОСТОЯНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В РОССИИ
В статье рассмотрены основные преимущества, недостатки и сложности использования энергии ветра в качестве источника энергоснабжения. Также рассмотрены устройство и особенности ветроэнергетических установок, приведены формулы для расчёта характеристик установки. В статье сделаны выводы о текущем положении и перспективах применения ветроэнергетики в России.
Ключевые слова: ветроэнергетика, энергия, расчёт, принцип действия, устройство, мощность.
Совершенствование текущего состояния топливно-энергетического комплекса Российской Федерации протекает в условиях, которые колоссально отличаются от тех, которые были в эпоху Советского Союза. Усилилась политическая и экономическая самостоятельность регионов, произошёл огромный скачок цен на углеводородное топливо, стало уделяться большее внимание проблемам экологии. Эти факторы указывают на важность такой проблемы, как ограниченность топливных ресурсов. Топливно -энергетический комплекс в стране всегда придерживался стандартного пути. А именно, развитие централизованного энергоснабжения. Но так как территория России велика, обеспечить энергией всех потребителей таким образом не получится. В итоге, большая часть населения страны не имеет доступа к другим надёжным источникам энергоснабжения, кроме дизельных энергоустановок (ДЭУ).
Такие установки потребляют большие объёмы топлива. Это негативно сказывается на экологической обстановке. А также из-за постоянного роста цен появляются сомнения в экономической целесообразности использования такого вида топлива.
Решением этих проблем может послужить ввод в эксплуатацию возобновляемых или неисчерпаемых источников энергии. Применение ветроэнергетических установок даст снижение топливной составляющей в формировании себестоимости вырабатываемой энергии, что серьёзно увеличивает их технико-экономическую эффективность.
Рассмотрим достоинства и недостатки ветряных энергоустановок.
К основным достоинствам можно отнести отсутствие каких-либо вредных выбросов в окружающую среду, в отличии от тех же угольных или атомных электростанций.
К плюсам относится и сравнительно низкая себестоимость получаемой энергии. Она составляет 60 копеек за киловатт в час, в то время как энергия угольных электростанций обходится примерно в 80 копеек. [3]
АЭС практически не выбрасывают СО и СО2 в атмосферу, но у ВЭУ нет опасных отходов, которые нужно утилизировать, к тому же ветряные электростанции гораздо дешевле и проще в строительстве.
К одному из недостатков ветряных энергоустановок можно отнести малую относительную мощность. В единственном экземпляре ВЭУ не сможет произвести столько же энергии, сколько производит одна угольная или атомная электростанция. Для того, чтобы уравнять мощность ВЭУ и мощность, выдаваемую средней угольной электростанцией, потребуется примерно тысяча ветроэнергетических установок, которым, к тому же, нужны огромные площади для размещения, что является ещё одним их недостатком.
Среди недостатков так же можно отметить механический и аэродинамический шум, создаваемый установкой. Для борьбы с шумом, создаваемым механизмами, применяются самые современные материалы и способы звукоизоляции. Уменьшение аэродинамических шумов достигается за счёт оптимизации профиля и аэродинамики лопастей.
Так же сдерживающим фактором в развитии ветровой энергетики является вопрос аккумулирования энергии. Очевидно, что нестабильность ветровых потоков с одной стороны и территориальная разобщённость с другой, а также большие объёмы энергии, - всё это акцентирует задачу по её накоплению и сохранению.
Актуальность этой проблемы способствует появлению множества решений и возникновению различных технологий. Вопросы проектирования, управления систем ВЭУ есть сложная комплексная задача.
© М.А. Ваничкин, 2022.
Для повышения эффективности управления разрабатываются алгоритмы управления. Пример такого алгоритма представлен на рис. 1.
Рис. 1. Алгоритм анализа скорости и направления ветра Рассмотрим принцип действия ветроэнергоустановки. Устройство ВЭУ показано на рис. 2.
Рис. 2. Устройство ВЭУ
1. Ветер приводит в движение лопасти ротора установки.
2. Ротор создает вращательное движение за счет кинетической энергии ветра и приводит в действие центральный приводной вал.
3. В современных ВЭУ конструкцией предусмотрен механизм поворота лопастей под лучшим углом к ветру для повышения производительности.
4. Внутри гондолы установлена ступенчатая коробка передач, которая преобразует вращение приводного вала с низкой скоростью (примерно. 14-17 оборотов в минуту) в высокоскоростное (1400-1700 об / мин). [1]
5. Генератор получает кинетическую энергию от вращающегося приводного вала и конвертирует её в электроэнергию.
6. Обязательным является наличие анемометров — приборов для измерения скоростей ветра. Этот прибор необходим для контроля скорости вращения лопастей. (Рис. 3)
Рис. 3. Датчик скорости ветра
Используя все эти устройства и результаты измерений, верхняя часть установки может изменять свой угол относительно направления ветра при помощи специального двигателя, установленного между гондолой и башней, это позволяет снимать максимум мощности. [2]
Бывают дни с чрезмерно большой скоростью ветра, когда лопасти установки вращаются настолько быстро, что это может противоречить условиям безопасности. На этот случай конструкцией предусмотрены специальные стопоры и тормоза. чтобы замедлить или совсем остановить вращение лопастей. Ими пользуются и во время ремонта.
Такое множество механизмов свидетельствует о том, что ВЭУ является сложной системой. Для создания установки такого уровня привлекаются специалисты со знаниями в области аэродинамики, приводной техники, систем управления, энергетики и механики.
Определение необходимой мощности ветряка зависит от количества потребителей, географического расположения установки и других факторов. Существуют специальные методы по определению мощности и размеров лопастей ВЭУ. Схематично это представлено на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость размеров ВЭУ от её мощности
Аналитически мощность ветряка можно определить с помощью формулы (1). Она даёт приемлемый результат и часто используется для предварительных расчётов. [1]
N =
p^S^V
(1)
где:
р - плотность воздуха
5 - общая обдуваемая площадь лопастей винта
V - скорость воздушного потока
Точность при аналитическом моделировании есть сложная техническая задача. Поэтому производители часто используют свои собственные разработки, номограммы, результаты экспериментов.
Сейчас производители установок конкурируют между собой не в создании новых инженерных решений, а в совершенствовании технологий производства и повышении качества своей продукции. Доли производителей в установленной мощности ВЭУ в мире представлены на рис. 5.
Рис. 5. Доли производителей в установленной мощности ВЭУ в мире
Россия по уровню развития ветроэнергетики сейчас располагается в четвертой десятке. В стране более развито получение энергии от атомных станций и ГЭС. При наличии большого количества этих сооружений вопрос об активном внедрении ВЭУ не слишком актуален.
Таким образом, из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы: Использование энергии ветра является очень перспективным способом решения проблемы ограниченности природных ресурсов. В нынешних условиях борьбы за экологию ветроэнергоустановки могут стать источником энергии для небольших городов вместо ТЭС или ГЭС, загрязняющих окружающую среду. На рынке представлено множество производителей ВЭУ, что говорит о востребованности такого вида энергии в мире. В России, учитывая размеры её территории, энергия ветра тоже может широко использоваться. Пусть на данный момент в нашей стране не распространено использование ветроэнергетических установок, но этого вида энергии определённо есть будущее.
Библиографический список:
1. Аубакиров Р. Д., Вирайло А. О., Гаврилович Е. В. Пример расчета параметров ветроэнергетической установки для потребителя малой мощности // Молодой ученый. — 2016. — №28.2.
2. Головицына М. В., Зотов С. П., Головицын М. В. Проектирование автоматизированных технологических комплексов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГОУ, 2001. 256 с.
3. Глухов В.В., Барыкин С. Е. Экономика электроэнергетического комплекса. — СПБ: Издательство СПбГПУ, 2003. — 206с.
ВАНИЧКИН МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Россия.
