Обзор нетрадиционной энергетики и теплоэнергетики

Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:

положению ветроколеса относительно направления ветра;

геометрии ветроколеса;

по мощности ветроустановки.

В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные – с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.

Ветроколеса с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентраторами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции.

Следует отметить, что ветроколеса с вертикальной осью вращения, в отличие от таковых с горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальными недостатками являются большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроагрегатов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов вертикально-осевых установок.

По мощности ветроустановки делятся на установке малой мощности до 100 кВт, на средней от 100 до 500 кВт и большой (мегаваттного класса) 0,5-4 МВт и более.

Часто идет речь о малой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема для сельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителей в неэлектрофицированных районах и т. п. Во многих странах налажено серийное производство ветроустановок малой мощности. Например, в России НПО «Ветроэн» серийно выпускает установки мощностью 4 кВт с диаметром колеса 6 м. Следует отметить, что малая ветроэнергетика не требует больших территорий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующие условия.

Выбор характеристик ветроколеса для ветроустановки в конкретных ветровых условиях определяется целями, которые перед ней ставятся. Обычно это требование максимизации производства энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива тепловыми станциями единой энергосистемы, либо обеспечение производства определенного минимума энергии даже при слабом ветре, чтобы, например, сохранить работоспособность насосов системы водоснабжения.

Одной из важнейших характеристик ветроколеса является его быстроходность, которая зависит от трех основных переменных: радиуса сметаемой ветроколесом окружности, скорости ветра, угловой скорости вращения колеса.

Горизонтальные ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное колесо обычно с 2-3 лопастями, которое вместе с капсулой агрегата с помощью автоматической системы ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в ряде стран осуществляется серийное производство таких ВЭУ с диаметром колеса 20-40 м и мощностью 100-500 кВт, построены опытные горизонтальные ВЭУ с диаметром колеса до 70-100 м и мощностью 3-4 МВт.

Для вертикальных ВЭУ не нужна система ориентации, что является их преимуществом, однако, из-за присущих им недостатков они менее распространены и находятся в стадии усовершенствования конструкции. В настоящее время в энергосистеме работают ВЭУ мощностью до 500 кВт, пущена опытная ВЭУ с диаметром ротора 64 м, высотой 110 м, мощностью 4 МВт.

Следует отметить, что, чтобы получить мощность ветроустановки, например 1 МВт, требуется диаметр ветроколеса порядка 60 м. Отсюда и большая материалоемкость ветроэнергетики. По удельной материалоемкости (металлоемкости) ветроустановки на два порядка превышают тепловые энергоустановки равноценной мощности, что в условиях всеобщего дефицита металла само по себе уже является большим недостатком ВЭУ. А тенденция замены металлических конструкций на стеклопластиковые требует экологического анализа последствий химических производств, предшествующих созданию данных материалов.

Основным недостатком ветроэнергетических станций является изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км2/МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с квадратного километра площади, меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70-200 км2, хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400-800 м.

Наиболее важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду – это акустическое воздействие. Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными (от 20 до нескольких кГц). Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовые эффекты в непосредственной близости ВЭС достигают 50-80 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно отключать в ночное время. Необходимо подчеркнуть, что помимо основных экологических факторов воздействия ветроэнергетики на окружающую среду (блокировка земельных территорий, шумовые эффекты, металлоемкость ветроустановок) они требуют дополнительного цикла добычи, переработки металлов, что оказывает косвенное влияние на окружающую среду.

Размещение ветровых парков влияет на миграцию птиц и рыб (для акваториальных ВЭС). Наконец, серьезным негативным экологическим последствием использования энергии ветра является то, что в местах работы ветряков значительно ослабляется сила воздушных потоков, что может оказать влияние на климат, а также ограничить «проветривание» близлежащих промышленных районов. Еще одной негативной чертой ветроустановок являются производимые ими помехи для воздушного сообщения и для распространения радио- и телеволн, а также оптическое загрязнение ими ландшафта, что приводит к оттоку туристов из мест расположения ВЭС. Вследствие этого может сложиться ситуация, когда ущерб от уменьшения количества туристов может превысить экономическую выгоду от использования ВЭУ, что имеет место, например, в некоторых районах на побережье ФРГ.

В странах Западной Европы ветроэнергетика является приоритетным направлением государственной энергетической политики. Для Беларуси ветроэнергетика не является абсолютным новшеством. В нашей стране существуют серьёзные научные разработки по данной тематике, опытные производства и даже реализованные проекты.

Идеальные места для «приручения» энергии ветра – протяжённые, продуваемые со всех сторон равнины, расположенные на возвышенностях. Именно на таких территориях среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с, что обеспечивает эффективную работу ветроэнергетических установок. Равнинные местности с высокой скоростью ветра в Западных странах встречаются довольно часто. Но не стоит забывать о том, что и Беларусь богата подобными территориями. По мнению специалистов, наиболее перспективными для развития ветроэнергетики в Беларуси являются центральная и западная часть Минской области, а также Витебская возвышенность. Более того, потенциал любой точки на территории Беларуси в отношении ее перспективности или не перспективности для ветроэнергетики может быть определен с помощью соответствующих расчетов, базирующихся на информации ветроэнергетического атласа страны и специального банка данных. Вопросы окупаемости и экономической эффективности ветроэнергетических установок – сфера, где еще не расставлены все точки над «i». Если подходить к этой проблеме глобально, учитывая перспективы постоянного удорожания энергетических ресурсов и их грядущий дефицит, ветроэнергетическая техника однозначно является перспективным вложением средств. Однако в нашей стране как-то не принято строить долгосрочные планы и активно развивать направления науки и техники, противоречащие традиционному мышлению.

Да и стоимость ветроэнергетических установок не так уж и мала. Цена установки мощностью 100-500 кВт составляет примерно 800– 1 000 долл./кВт, не считая затрат на монтаж и эксплуатацию. Отечественные сторонники ветроэнергетической концепции считают, что окупаемость таких систем не превышает 4 лет.


На главную