CC BY
225
Alekhin Vladimir Anatolievich, master, alehin7777@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state University
УКД 621.311.24
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Е.В. Алехина
Данная статья дает ответы на основные вопросы относительно ветроэнергетики. В ней рассмотрены такие аспекты, как преимущество ветровой энергии, что необходимо учитывать при создании ветроустановки и сколько электроэнергии она способна выработать, срок строительства и срок окупаемости ветроэлектростан-ций, качество ветровой энергии.
Ключевые слова: возобновляемая энергия, ветроустановка, ветроэнергетический кадастр, коэффициент готовности, срок энергетической окупаемости, коэффициент энергетической эффективности.
Вопрос о создании установок распределенного генерирования, использующих возобновляемые источники энергии и снижающих климатические и экологические изменения, уже давно стоит на повестке дня во всем мире. Наиболее быстрое развитие сектора возобновляемой энергии произошло в Германии, особенно за последний десяток благодаря стимулированию федеральным законом. На сегодняшний день Германия насчитывает более 21100 ветроустановок с заявленной мощностью около 25 ГВт. В России же ветровая энергетика только на первой стадии развития [4].
Почему именно ветер? Легко объяснимо. Во-первых, энергия ветра бесплатна и неограниченна по сравнению с традиционными ресурсами. Во-вторых, её использование не наносит ущерб экологии и не приводит к климатическим изменениям. Конечно, в ветроэнергетике как и в любой другой энергетике есть свои минусы. Основной из них - это неустойчивый характер ветровых потоков. Низкое прогнозирование скорости ветра -наиболее важная проблема в современной энергетике, отсюда и неустойчивая работа ветроустановок, но эти вопросы решаемы в перспективе.
Все же вернемся к самому понятию: что же такое ветер и как его можно измерить?
Ветром называют циркулярное перемещение воздушных масс, вызванное неравномерным нагревом земной поверхности, а также вращением Земли вокруг своей оси. По происхождению выделяют несколько видов ветров:
- ветры, связанные с особенностями нагревания земной поверхно-
8
сти;
- ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы над горными массивами;
- ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, но без нисходящей составляющей;
- многочисленные пыльные вихри, шквалы, песчаные бури.
Как природное явление ветер сильно влияет на жизнь и хозяйственную деятельность человека, но, тем не менее, оказалось возможным использовать его для производства энергии.
Скорость ветра в настоящее время определяют таким прибором как анемометр преимущественного чашечного типа. Принцип действия основан на вращении чашки вокруг вертикальной оси, на которой расположен небольшой генератор, дающий импульсы, количество которых пропорционально скорости вращения. Полученные данные пересчитываются в скорость ветра. Направление ветра определяется прибором аналогичным флюгеру. Чаще всего оба прибора совмещают в монолитную конструкцию.
Зная причину возникновения ветра и способ измерить его скорость, мы можем преобразовать его энергию в электрическую или механическую с помощью ветроустановки. Схематично принцип работы ветроустановки можно описать следующим образом. Лопасти ветроколеса связаны с оголовком, к которому крепится вал. Поток ветра попадает на лопасти ветроколеса, приводя его в движение. Через муфту вал соединяется с входным валом редуктора, а к выходному валу редуктора присоединяется генератор, благодаря которому и вырабатывается электрическая энергия. Редуктор в этой системе нужен для повышения скорости вращения вала до величины необходимой генератору.
Тем не менее, для создания ветроустановки необходимо знать характеристики ветра. Иным языком их называют ветроэнергетическим кадастром - совокупность характеристик ветра с точки зрения использования его для производства механической или электрической энергии.
К основным его составляющим относят среднегодовую скорость ветра, повторяемость скоростей, максимальную скорость ветра, распределение ветровых периодов и ветровых штилей, удельную мощность и удельную энергию ветра, ветроэнергетические ресурсы региона.
Далее вполне логично задастся вопросом, сколько электроэнергии способна выработать ветроустановка. На примере рассмотрим ветроуста-новку мощностью 10 кВт.
Как известно, электрическая энергия измеряется в Вт*ч или кВт*ч. Одна электрическая лампочка мощность 100 Вт за десять часов своей работы потребляет 1 кВт*ч электроэнергии. Если же вести речь о ветроуста-новке 10 кВт, то отдавать такую мощность она сможет только в том случае, если скорость ветра будет больше или равна номинальной скорости. Поэтому в среднем в год ветроустановка такой мощности способна выра-
батывать 15-20 тысяч кВт*ч в зависимости от среднегодовой скорости ветра того района, где она располагается [6].
Естественно, что отдельно стоящая ветроустановка сама по себе бессмысленна, поэтому их объединяют в группы для увеличения вырабатываемой мощности и снижения затрат на их обслуживание.
Если же вести речь о сроках строительства ветростанций, то веря данным Европейской ветроэнергетической ассоциации, ветростанция на суше мощность 10 Мвт может быть построена за 2 месяца, из которых основное время уходит на сооружение фундамента и выдержку бетона, а непосредственно монтаж ВЭУ длится в течение 2 - 3 дней.
Ветростанцию мощностью 50 МВт могут построить за 1,5 - 2 года. В этом случае основное время уходит на измерение скорости ветра на территории строительства - минимум полгода.
Готовность к работе ветроустановки обычно определяют коэффициентом готовности. Коэффициент готовности отражает надежность ветроустановки. Он показывает в процентах время за календарный год, в течение которого установка готова вступить в работу за вычетом времени на обслуживание и ремонт. Ветроустановки имеют величину коэффициента готовности 98 %, это самая высокая цифра среди всех генерирующих источников.
Несмотря на такие отличные данные относительно коэффициента готовности ветроустановки, процесс включения этого вида энергии в общую энергетику пока затруднен. Что нужно сделать с технической точки зрения, чтобы облегчить интеграцию ветровой энергии в энергосистему? Если смотреть на это все поверхностно, то никаких серьезных изменений и не видно, кажется даже наоборот, что ветроустановка облегчает условия работы электрической сети. Но копнув глубоко, выясняется, что если установка подключается к трансформатору, от которого питается город или другой населенный пункт, со стороны низкого напряжения, то снижается потребляемая из сети мощность и режим работы облегчается. Соответственно уменьшаются потери энергии и напряжения в линии электропередачи от трансформатора до основной сети. Однако проблемы с обеспечением устойчивости могут возникнуть, когда доля мощности ветростанции в системе достигает 10 % и более от потребляемой мощности, но пока таких величин достичь не удалось. Чтобы таких проблем избежать, нужно в первую очередь пересмотреть условия работы релейной защиты и автоматики и проверить отключающую способность выключателей на подстанции.
И тем не менее главная трудность присоединения ветростанции в энергосистеме в экономическом аспекте. До сих пор не пришли к единому тарифу, по которому энергосистема принимала бы энергию от ВЭС, хотя действующие нормативные документы позволяют установить тариф, который бы мог обеспечить окупаемость ВЭС в срок 5-10 лет.
Сам по себе срок энергетической окупаемости - это термин, обо-
значающий время, за которое в нашем случае ветроустановка выработает то количество электроэнергии, которое было затрачено на ее проектирование, монтаж и строительство, обслуживание и утилизацию. В зависимости от среднегодовой скорости ветра ВЭС могут иметь самый низкий срок окупаемости в сравнении, например, с угольной или атомной.
Существует и другая оценка этого явления - «коэффициент энергетической эффективности», под которым подразумевают отношение энергии выработанной ветроустановкой за срок службы к энергии, затраченной на производство, строительство, обслуживание и утилизацию ветроуста-новки.
В среднем срок службы ветроустановки 20 - 25 лет. Безусловно, за это время допускается замена некоторых комплектующих изделий. Техническое обслуживание для проверки отдельных систем ветроустановки проводят 2 - 3 раза в год. Чаще всего это касается смазки редуктора и механизма поворота башни.
Также современные ВЭУ имеют очень эффективную молниезащи-ту. Проводники, обеспечивающие уход тока молнии в землю закладываются в лопасти ветроколеса и далее по всей конструкции, а система заземления, к которой подсоединяется башня, сооружается около каждой ВЭУ.
В заключении хотелось бы развеять миф относительно качества электроэнергии от ветростанций. Есть мнение, что оно не соответствует стандартам. Качество электроэнергии по частоте соответствует частоте автоматически, поскольку частоту тока на ВЭУ задает электростанция энергосистемы [7,8].
Качество по напряжению обеспечиваются и системой возбуждения генераторов, и источниками реактивной мощности на подстанции в соответствии с требованием стандартов. Кроме того, современные ВЭУ позволяют осуществлять регулирование напряжения и поддержание его на уровне требований стандарта.
И, конечно, нельзя не отметить конкурентоспособность ветроэнергетики на энергетическом рынке, поскольку они не только не влекут за собой выбросы углекислого газа в атмосферу и других загрязняющих веществ, но и не приводят к экологическим и климатическим изменениям. Поэтому ветер - лучший энергоресурс, так как это дешево, экологически чисто и неисчерпаемо!
Список литературы
1. Гавриленко В.В. Выбор проектных параметров ветроколеса ветроэнергетической установки: монография. Омск: ОмГТУ, 2005. 128 с.
2. Галкин М.П., Горин А.Н. Выходные электрические параметры ветроэнергетических установок малой мощности // Энерг. стр-во. 1994. № 5-6. С.62-64.
3. Гуров В.И., Каримбаев Т.Д., Шабаров А.Б. Новые возможности ветроагрегатных систем // Энергия: экон., техн., экол. 2010. № 5. С.32-35.
4. Алексеев Б. А. Ветроэнергетика мира и ее проблемы // Энергетика за рубежом. 2007. № 5. С.31-47.
5. Затопляев Б. С., Николаев В.Г. Перспективы развития морской ветроэнергетики в акваториях Литвы, Польши и России // Малая энергетика. 2008. № 1 -2(6-7). С.83-86.
6. Игнатьев С.Г., Киселев С.В. Развитие методов оценки ветроэнергетического потенциала и расчета годовой производительности ветроуста-новок // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 10(90). С.49-72.
7. http: // colxoz.com / vetroenergetika - prakticheskie - aspekty - i -perspektivy/
8. http ://www.windgen .ru/about-news/vetroj energetika
Алехина Екатерина Владимировна, магистр, 110 7gev@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE MAIN ASPECTS OF WIND ENERGY E. V. Alekhina
This article provides answers to basic questions about wind power. It examines such aspects as the advantage of wind energy that is necessary for the creation of wind turbine and how much electricity it is able to develop, duration of construction and payback period of windfarms, the quality of wind energy.
Key words: renewable energy, wind turbine, wind energy cadastre, availability, term of the energy payback, energy efficiency ratio.
Alekhina Ekaterina Vladimirovna, master, [email protected] Russia, Tula, Tula state University
