Ветроэнергетика

История использования энергии ветра[править | править код]

Ветряные мельницы в Ла Манче, Испания

"Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле" (К.Маркс. "Машины: применение природных сил и науки").

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо - 1526 г., Глочестер - 1542 г., Лондон - 1582 г., Париж - 1608 г., и др. В Нидерландах большое количество ветряных мельниц откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Первая в мире ветроэлектростанция мощностью 100 кВт. была построена в 1932 году в Крыму.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра[править | править код]

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высота башни 70 метров, диаметр лопастей 90 метров. Самые большие в мире ветрогенераторы выпускает немецкая компания REpower ( REpower Systems(нем.)). Диаметр ротора этой турбины 126 метров. Мощность таких установок доходит 6 МВт, вес гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 м.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, т.е. с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов - механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км. от берега (а иногда и дальше) строятся офшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.

Распространение ветроэнергетики[править | править код]

В 2006 году сумарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 73904 МВт. Большая часть установленных мощностей сконцентрирована в Европе. В Германии, к примеру, 20.622 МВт.

Строительство турбины в Германии

Страна	2005 г.МВт.	2006 г.МВт.
Германия	18428	20622
Испания	10028	11615
США	9149	11603
Индия	4430	6270
Дания	3122	3136
Китай	1260	2405
Италия	1718	2123
Великобритания	1353	1963
Португалия	1022	1650
Франция	757	1567
Нидерланды	1224	1560
Канада	683	1451
Япония	1040	1394
Австрия	819	965
Австралия	579	817
Греция	573	756
Ирландия	496	643
Швеция	510	564
Норвегия	270	325
Бразилия	29	237
Египет	230

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт. по странам мира 2005-2006 г.

1997	1998	1999	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007 прогноз	2008	2009	2010
7475	9663	13696	18039	24320	31164	39290	47686	59004	73904	90000	109000	132000	160000

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт. и прогноз WWEA до 2010 г.

В Европе в 2005 году было сконцентрировано 69% мировых мощностей. Италия, Великобритания и Япония имеют примерно по 1000 МВт. установленных мощностей.

Около 20% электричества Дании вырабатывается из ветра. Индия в 2005 году получает из энергии ветра около 3% всей электроэнергии. Страны Евросоюза в 2005 году вырабатывают из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии.

В 2006 году ветряные электростанции Германии произвели 30,6 ГигаВт.ч. электроэнергии, что составляет 7% от всей произведённой в Германии электроэнергии.

Крупнейшая электростанция Украины — Новоазовская ВЭС проектной мощности 50 МВт.

Ветроэнергетика в России[править | править код]

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 миллиардов кВтч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВтч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России. Одна из самых больших ветроэлектростанций России (5,1 мВт.) расположена в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Также крупные ветроэлектростанции расположены у деревни Тюпкильды Туймазинского района респ. Башкортостан (2,2 мВт).

Исполняется “Программа развития ветроэнергетики РАО “ЕЭС России”. На первом этапе (2003-2005 г.) начаты работы по созданию многофункциональных энергетических комплексов (МЭК) на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания. На втором этапе будет создан опытный образец МЭТ в посёлке Тикси - ветрогенераторы мощностью 3 МВт. и двигатели внутреннего сгорания.

Началось строительство “Морского ветропарка” в Калининградской области мощностью 50 МВт.

Перспективы[править | править код]

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

Правительством Канады установлена цель к 2015 году производить 10% электроэнергии из энергии ветра.

Германия планирует к 2020 году производить 20% электроэнергии из энергии ветра.

Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить 40 000 МВт. ветрогенераторов.

В Испании к 2011 году будет установлено 20 000 МВт. ветрогенераторов.

В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 000 МВт. к 2010 году и до 30 000 МВт. к 2020 году.

Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005 годом. К 2012 году будет построено 12 000 МВт. новых ветряных электростанций.

Новая Зеландия планирует производить из энергии ветра 20% электроэнергии.

Великобритания планирует производить из энергии ветра 10% электроэнергии к 2010 году.

Египет - к 2010 году установить 850 МВт. новых ветрогенераторов.

Международное Энергетическое Агентство International Energy Agency (IEA) прогнозирует, что к 2030 году спрос на ветрогенерацию составит 4 800 ГигаВатт.

Экономические аспекты ветроэнергетики[править | править код]

Себестоимость электроэнергии[править | править код]

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра.

Скорость ветра - Себестоимость (для США, 2004 год)

7,16 м/с - 4,8 цента/КВт.ч.

8,08 м/с - 3,6 цента/КВт.ч.

9,32 м/с - 2,6 цента/КВт.ч.

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США 4,5-6 цента/кВт.ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт.ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. Ожидается, что себестоимость еще снизится на 35-40% к концу 2006г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала дешевле стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала дешевле электроэнергии, произведенной из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Другие экономические проблемы[править | править код]

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличаяется большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности энергонагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует ее дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25% от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50000 – 55000 МВт.

По данным испанских компаний "Gamesa Eolica" и "WinWind" точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке "на день вперед" или спотовом режиме превышает 95%.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередач и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т.п.) на высоте более 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Экономика малой ветроэнергетики[править | править код]

Применение ветрогенераторов в быту для обеспечения электричестовм малоцелесообразно из-за:

Высокой стоимости инвертора ~ 50% стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в паралель))
Высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25% стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)
Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости во всей установкой.

В настоящее время несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько нибудь значительную величину у основной массы производств, на фоне других затрат.ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:

Необходимость получения эл.энергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор)
Необходимость автономной работы в течении некоторого времени (применяется аккумуляторы)
Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно плучение с помошью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько приемуществ:

Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
Схема ветрогенератора и упровляющей автоматики кардинально упрощается.
Схема аватоматики может быть в самом простом случает построена на нескольких тепловых реле.
В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазаонах 19-25С - в бойлерах горячего водоснабжения -40-97С без ущерба для потребителей.

Экологические аспекты ветроэнергетики[править | править код]

Шум[править | править код]

Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:

механический шум (шум от работы механических и электрических компонентов)
аэродинамический шум (шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки)

Источник шума	Уровень шума, дБ.
Болевой порог человеческого слуха	120
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м.	105
Шум от отбойного молотка в 7 м.	95
Шум от грузовика при скорости движения 48 км/ч на удалении от него в 100 м.	65
Шумовой фон в офисе	60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч	55
Шум от ветрогенератора в 350 м.	35-45
Шумовой фон ночью в деревне	20-40

В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.

Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов - 300 м.

Визуальное воздействие[править | править код]

Визуальное воздействие ветрогенераторов - субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.

В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0.0012 евро на 1 кВт ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы за то, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.

Использование земли[править | править код]

Турбины занимают только 1% от всей территории ветряной фермы. На 99% площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землей, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.

Таблица: Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 ГВт•ч электроэнергии

Источник энергии	Удельный показатель площади земельного участка, требующейся для производства 1 ГВт•ч за 30 лет (м²)
Геотермальный источник	404
Ветер	800-1335
Фотоэлектрический элемент	3237
Солнечный нагревательный элемент	3561
Уголь	3642

Вред, наносимый животным и птицам[править | править код]

Причины гибели птиц (из расчета на 10 000)	штук
Дома/ окна	5500
Кошки	1000
Другие причины	1000
ЛЭП	800
Механизмы	700
Пестициды	700
Телебашни	250
Ветряные турбины	Менее 1

Помехи телесигналам[править | править код]

Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приеме телесигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.