Содержание страницы
В условиях нарастающего энергетического кризиса и глобального перехода к экологически чистым технологиям всё большее внимание уделяется возобновляемым источникам энергии. Одним из наиболее перспективных направлений считается использование энергии ветра. Благодаря техническому прогрессу, ветроэнергетика уже сегодня обеспечивает электроэнергией миллионы людей по всему миру. Однако наряду с экологической безопасностью и неисчерпаемостью ветровые установки обладают и определёнными недостатками, что делает изучение их возможностей особенно актуальным.
1. Ветер как источник энергии
Использование ветра как источника энергии началось ещё в глубокой древности. Первые ветряные устройства применялись в Месопотамии и Персии более 2000 лет назад для перекачки воды и помола зерна. В Европе ветряные мельницы получили широкое распространение в Средневековье. В XIX веке появились первые попытки генерации электричества при помощи ветра, однако лишь во второй половине XX века, с развитием технологий и повышением интереса к «зелёной» энергетике, ветроэнергетика начала активно развиваться как промышленная отрасль. Сегодня по всему миру насчитывается свыше 20 тысяч ветрогенераторных установок, общая производственная мощность которых превышает отметку в 16 ГВт.
Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) отличаются высокой степенью надежности и эффективностью. Их мощность варьируется от нескольких киловатт до 10 мегаватт, что позволяет использовать их в самых различных целях. Такие установки находят применение как для индивидуального энергоснабжения (например, частных домов, сельских хозяйств, автономных объектов), так и для подачи электроэнергии в централизованные электросети (СЭС).
Рисунок 1 — Современные ветроэнергетические установки
Крупнейшая на момент запуска плавучая ветряная электростанция (ВЭС), Walney Extension, начала работу в январе 2019 года у побережья Великобритании. Она включает в себя 87 ветроустановок, суммарной производительностью 659 МВт, что достаточно для обеспечения электричеством примерно 600 тысяч домохозяйств. Здесь применены два типа ВЭУ: 40 установок от Siemens Gamesa мощностью 7 МВт и высотой 188 метров, а также 47 агрегатов от MHI Vestas по 8 МВт и высотой 195 метров.
Физическая природа ветра заключается в перемещении воздушных масс, вызванном неравномерным нагревом земной поверхности солнечным излучением. Участки, затенённые облаками или покрытые водой, нагреваются медленнее, чем открытые участки суши. Над тёплыми зонами воздух поднимается, формируя зоны пониженного давления, в которые устремляется воздух из областей с повышенным давлением, образуя поток — ветер.
На скорость и устойчивость ветрового потока влияет множество факторов: географическое положение, близость морей, озёр, тип рельефа, наличие естественных или искусственных преград (зданий, деревьев, холмов, гор). Важным параметром является высота: ближе к поверхности скорость потока снижается из-за трения, а на высоте значительно возрастает.
В пустынной местности или над полями скорость ветра при удвоении высоты может увеличиться примерно на 12 %. Поэтому оптимальным решением является установка ВЭС на возвышенностях, где влияние преград минимально, и отсутствует затенение от строений и растительности. Такие условия способствуют стабилизации воздушного потока, что напрямую влияет на эффективность преобразования энергии ветра.
Показатель средней годовой скорости ветра является базовой характеристикой ветропотенциала местности. Его определяют как усреднённое значение всех зарегистрированных скоростей за год. Анализ может проводиться на месячной, суточной и даже почасовой основе.
Энергия, содержащаяся в ветре, пропорциональна кубу его скорости. Так, при увеличении средней скорости ветра с 4 до 5 м/с объём производимой энергии увеличивается вдвое (рис. 2). Однако промышленные ВЭУ требуют, чтобы этот показатель был не ниже 5 м/с. При скорости менее 1,5 м/с агрегаты не работают, а при ураганных порывах (25–28 м/с и выше) автоматика отключает ВЭУ из соображений безопасности. При превышении порога в 12 м/с срабатывают ограничители скорости вращения лопастей.
Рисунок 2 – Производство электроэнергии ветрогенератором номинальной мощностью 1 кВт в зависимости от среднегодовой скорости ветра
Устойчивость и повторяемость ветровой нагрузки — один из ключевых параметров для эффективной работы ВЭУ. Главный же недостаток ветроэнергетики заключается в её нестабильности — невозможно точно прогнозировать объём выработки даже на короткие временные интервалы, такие как сутки.
2. Типы ВЭУ
Ветроэнергетические установки преобразуют кинетическую энергию ветра в механическое вращение ветроколеса, которое затем посредством генератора превращается в электричество.
Ранее использовались карусельные (активные) ветроколёса, напрямую воспринимающие давление потока, но их КПД был крайне низок — менее 20 %, из-за чего сегодня такие конструкции не применяются.
Современные ВЭУ, как правило, бывают двух типов: горизонтально- и вертикально-осевые. Оба варианта (см. рис. 3) функционируют за счёт подъёмной силы, возникающей на лопастях при движении воздуха. Несмотря на схожий КПД, наиболее широкое распространение получили установки с горизонтальной осью вращения.
а б
в г
Рисунок 3 – Основные виды конструкций ветроагрегатов: а, в – горизонтально-осевая; б, г – вертикально-осевая
Конструкция ВЭУ включает: гондолу, лопасти, опорную мачту, а также вспомогательные системы (рис. 4).
Рисунок 4 – Структурная схема ВЭУ: 1 – фундамент; 2 – силовой шкаф; 3 – опора; 4 – ступеньки; 5 – поворотный механизм; 6 – гондола; 7 – электрогенератор; 8 – система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр); 9 – тормозная система; 10 – трансмиссия; 11 – лопасти ротора; 12 – система изменения угла атаки; 13 – колпак ротора
Рисунок 5 иллюстрирует примеры размещения оборудования внутри гондолы маломощных (а) и средних (б) ВЭУ.
а
б
Рисунок 5 – Схема компоновки ЭО в гондоле ВЭУ: а – небольшой мощности; б – средней мощности с блоком аккумуляторных батарей
Краткое описание ключевых узлов:
Ветроколесо отвечает за трансформацию кинетической энергии потока в механическое вращение. Диаметр ветроколёс может составлять от нескольких до десятков метров. Частота вращения — от 15 до 100 об/мин. Установка осуществляется на мачтах (чаще цилиндрических, иногда – решетчатых), укреплённых, при необходимости, растяжками. На рис. 6 представлена внутренняя часть цилиндрической башни ВЭУ.
Рисунок 6 – Схема компоновки цилиндрической башни ВЭУ (вид внутри)
Мультипликатор служит для увеличения оборотов с вала ветроколеса до значений, требуемых для генератора. Исключение — маломощные агрегаты с генераторами на постоянных магнитах, где этот элемент отсутствует.
Фундамент обеспечивает устойчивость конструкции и служит опорной базой.
В случаях, когда скорость ветра превышает допустимые пределы, срабатывает тормозная система, останавливающая установку. Горизонтальные ВЭУ также включают в себя устройство автоматической ориентации по направлению ветра.
Особенности ветроэнергетики:
- 1) Технически невозможно всегда установить ВЭУ поблизости от объектов потребления — мешают как природные условия, так и нехватка территорий с нужной ветровой характеристикой. Также возникает потребность в создании сетевой инфраструктуры для передачи энергии;
- 2) Выработка мощности зависит от погодных условий и носит нерегулярный характер, а ВЭС значительно уступают другим станциям в точности прогнозирования производственных параметров.
Преимущества и ограничения использования ветровой энергии представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Преимущества и недостатки получения ветровой энергии
| Преимущества | Недостатки |
| Ресурс ветра – неисчерпаемый и возобновляемый источник, не подверженный истощению при разумной эксплуатации | Зависимость от погодных условий делает объем производства электроэнергии переменным и трудно прогнозируемым |
| Производственный процесс ВЭУ не приводит к эмиссии углекислого газа и других вредных соединений, что способствует улучшению экологической ситуации и снижению ветровой эрозии почв | Ограниченная эффективность: выработка энергии уступает другим типам генерации, особенно в условиях слабого ветра |
| Установка ВЭУ может оказывать положительное влияние на микроклимат – снижая скорость воздушных масс над водоемами и сушей | Воздействие на акустическую и визуальную среду: шум от лопастей и нарушение прозрачности атмосферы могут восприниматься как дискомфорт |
| Эстетичность и минимальный земельный след – турбины можно интегрировать в другие формы землепользования без необходимости отчуждения обширных территорий | Негативное влияние на радиосигналы и экосистемы – включая риск для перелетных птиц и морской фауны при прибрежной установке |
| Быстрая и недорогая установка, а также простота в эксплуатации делают ветроэнергетику привлекательной даже для удалённых населённых пунктов | Риск технических отказов: при разрушении компонентов возможно повреждение объектов инфраструктуры, находящихся поблизости |
Соотношение мощностей компонентов: взаимодействие дизельных и ветровых источников энергии определяется балансом между генерацией и ветровой активностью. В режиме параллельной работы мощность ветроагрегата ограничивается 15–20 % от номинальной мощности ДЭС, что снижает эффективность использования ВЭУ.
При раздельной работе доля ветроэнергии в структуре генерации может увеличиваться до 50–60 % и более, однако такое решение требует сложных технических дополнений. К ним относятся: системы контроля, преобразователи тока (инверторы и выпрямители), а также энергонакопители – аккумуляторы, гидравлические и пневматические устройства. Эти компоненты аккумулируют избытки энергии для последующего использования в периоды отсутствия ветра. В таком случае при отсутствии ветра и разрядке накопителей в работу включается дизель-генератор.
Гибридные ветросолнечные системы, рис. 7, сочетают в себе ВЭУ и фотоэлектрические панели (ФБ), что позволяет значительно повысить надежность и равномерность выработки энергии.
а б
Рисунок 7 – Гибридная ветросолнечная станция: а – Флорида, США; б – Запорожская обл., Украина
Несмотря на первоначальные вложения, гибридные установки, как на рис. 8, являются устойчивым решением для автономного энергоснабжения.
Рисунок 8 – Пример ветросолнечной установки для приватного дома с резервным дизель — генератором
Комбинация ВЭУ с мини- и микро-ГЭС позволяет накапливать энергию в форме потенциальной – путём перекачивания воды в резервуары. При отсутствии ветра система вырабатывает электричество за счет сброса воды с высоты.
Генераторы ВЭУ, подключенные к централизованным сетям, получают реактивную мощность для корректного функционирования, а выработанная ими энергия поступает напрямую в электросеть.
Стабилизация параметров тока осуществляется через возбуждение, а размещение ВЭУ – на участках с благоприятными ветровыми условиями. Основное назначение – промышленная выработка и реализация энергии.
Совокупность ВЭУ образует так называемую «ветроферму» или ВЭС. Агрегаты размещаются рядами, перпендикулярно основному направлению ветра, рис. 9. Участки под ВЭС часто используются и под сельское хозяйство.
Для таких комплексов применяются генераторы мощностью от 120 до 200 кВт, суммарная мощность – до сотен мегаватт. В штате Калифорния (США) имеется ВЭС, способная обеспечить энергией весь Сан-Франциско.
Рисунок 9 – ВЭС в Калифорнии (США)
Чтобы избежать турбулентности и «ветровой тени», между ВЭУ необходимо расстояние не менее 5–10 диаметров их лопастей.
Современные ВЭУ размещаются как на суше (on-shore), так и в акваториях (off-shore), рис. 10. Оффшорные установки требуют антикоррозионной защиты из-за воздействия морской воды.
Рисунок 10 – ВЭУ, установленные на морском шельфе (off-shore)
Конструкции оффшорных опор напоминают крепления буйков и могут быть как фиксированными, так и плавающими (рис. 11). Электрокабели укладываются под водой до прибрежных трансформаторных станций. В Великобритании в 2018 году запустили крупнейшую в мире оффшорную ВЭС.
Рисунок 11 – Примеры монтажа опор оффшорных ВЭУ на морском дне
Данный ветропарк содержит 87 турбин, суммарной мощностью 659 МВт. Высота башен – до 195 м, отдельные установки достигают мощности 8,25 МВт. Общая площадь – 144 км², обеспечивающая 600 000 домохозяйств.
Расположение ВЭУ строго регламентируется с точки зрения экологических норм. Шум – один из факторов, ограничивающих установку турбин вблизи жилья. В Европе установлены ограничения: минимум 300 м до жилых домов, предельный уровень шума – 45 дБ днем и 35 дБ ночью.
На фоне этого интерес вызывает технология Vortex Bladeless – безлопастная турбина, лишённая классических вращающихся элементов.
Рисунок 12 – Безлопастная ветряная турбина Vortex Bladeless
Она использует эффект вихрей и вибрации для генерации энергии. Композитный корпус и магнитный усилитель колебаний делают её бесшумной, недорогой и безопасной для птиц и летучих мышей.
Хотя эффективность такой турбины в 2–3 раза ниже лопастной, её массовое применение на плотной площади может компенсировать этот недостаток, особенно в городских условиях.
Перспективным направлением в сфере альтернативной энергетики сегодня считаются так называемые «летающие» ветрогенераторы. Их активное проектирование и тестирование уже ведётся в ряде стран, включая Шотландию (Великобритания), Норвегию и даже Саудовскую Аравию. Эта инновационная концепция предполагает использование ветроэнергетических установок, которые поднимаются в воздушное пространство, где воздушные потоки более стабильны и мощны.
3. Типы генераторов для ВЭУ
В современных ВЭУ применяются несколько конструктивных решений генераторов, различающихся принципом действия и мощностными характеристиками:
- Медленно вращающиеся синхронные генераторы, содержащие постоянные магниты, используются преимущественно в установках до 50–100 кВт.
- Асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, представляющие собой модифицированные серийные электродвигатели, широко применяются в автономных системах средней мощности (100–200 кВт).
- Высокооборотные синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением, мощность которых превышает 500 кВт, как правило, работают в паре с редукторными механизмами (мультипликаторами).
Таблица 2 содержит обобщённые данные по основным достоинствам и недостаткам применяемых в ВЭУ генераторов.
Таблица 2 — Преимущества и недостатки генераторов для ВЭУ
| Преимущества | Недостатки |
| 1. АГ с к.з. ротором | |
|
|
| 2. СГ с магнитоэлектрическим возбуждением | |
|
|
| 3. Специальные типы СГ с магнитоэлектрическим возбуждением | |
|
|
| 4. АГ с фазным ротором | |
|
|
| 5. СГ с электромагнитным возбуждением | |
| Использование в комбинации с преобразователями, имеющими постоянное токовое звено и инвертор с широтно-импульсной модуляцией, позволяет добиться высокой чистоты тока (низкий уровень гармоник), улучшения динамических характеристик системы, а также реализовать управление реактивной составляющей мощности прямо с выходной стороны генератора. |
|
Интересные факты:
-
Гигант среди ВЭС – крупнейшая на момент запуска ветряная электростанция Walney Extension в Великобритании производит 659 МВт, чего достаточно для питания 600 тысяч домов.
-
Высота имеет значение – на высоте 100 метров скорость ветра может быть на 60–80 % выше, чем у земли, что существенно увеличивает выработку энергии.
-
Принцип куба – энергия, получаемая из ветра, увеличивается в кубе от скорости: при увеличении скорости ветра на 25 % — выработка может удвоиться.
-
Автоматическое отключение – при слишком сильном ветре (более 25–28 м/с) ВЭУ автоматически отключаются, чтобы избежать повреждений.
-
Бессрочное топливо – ветер — один из немногих источников энергии, полностью не подверженных истощению и не требующих добычи.
Ветроэнергетика — перспективное и активно развивающееся направление в сфере альтернативной энергетики. Она сочетает в себе экологическую безопасность, технологическую инновационность и высокую адаптивность к различным условиям эксплуатации. Несмотря на существующие ограничения, связанные с нестабильностью потока и высокими требованиями к размещению, уже сегодня ветер обеспечивает устойчивую долю мировой энергетики. Дальнейшее развитие систем накопления энергии, прогнозирования и управления позволит значительно повысить эффективность ВЭУ и расширить их применение в глобальном масштабе.
