Ветроэнергетика за рубежом и в России

 

 

 

 

Содержание:

 

Энергия ветра   2

Ветроэнергетика за рубежом и в России   3

Классификация ветроустановок   6

Перспективы использования ВЭУ   10

Заключение   12

Список литературы   13

 

 

    Энергия ветра  

    Человек начал использовать энергию ветра задолго до изобретения водяного колеса. Еще 4 тыс. лет тому назад были известны установки для подачи воды, ветряные мельницы и парусные суда. В Европе ветряные мельницы появились в начале XII века. Изобретение паровых машин заставило забыть на длительное время ветряные установки. Кроме того, низкие единичные мощности агрегатов, постоянная их зависимость от погодных условий, а также возможность преобразовывать энергию ветра только в ее механическую форму ограничивали широкое использование этого природного источника.

Следует помнить, что энергия ветра в конечном итоге является результатом тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различная плотность нагретого и холодного воздуха является основной причиной активных процессов перемешивания воздушных масс. Следовательно, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая высвобождается в одной из своих форм - энергии воздушных течений.

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой.

Местные ветры возникают из-за особых местных условий рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.). Вследствие изменения температур днем и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днем, при солнечной погоде, температура суши повышается быстрее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течет в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом, возникает циркуляция воздуха с направлением внизу - на берег моря, вверху - от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течет на море, а вверху - с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. В России бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и Каспийского морей.

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция воздушных масс более крупного размера, чем бризы, и называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам.             Летом континент нагревается до более высокой температуры, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, и воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху, наоборот, течет от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления, вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях - наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами. Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии - в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой - северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимой дуют суровые северо-западные материковые ветры; летом - юго-восточные и южные морские, влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.Различные страны имеют зоны, в которых ветровые режимы сильно отличаются один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об ее эффективности. В соответствии с картой ветроэнергетических ресурсов России прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина отличаются высокой интенсивностью ветрового режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/с. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/с), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в указанной зоне можно использовать только ветроустановки с высокой быстроходностью (двух- или трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/с и более. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от до 6 м/с. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также некоторые области европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики - до 3,5 м/с, и широкое применение ветроэнергетических установок на этой территории не рекомендуется.

        Ветроэнергетика за рубежом и в России  

Возрождение интереса к использованию энергии ветра в настоящее время связано с возможностью и определенной целесообразностью преобразования ее в электроэнергию. Экономически такая целесообразность имеет место при скорости ветра более 5 м/с. И это обстоятельство накладывает существенное ограничение на развитие ветроэнергетики. Богатые ветровой энергией местности, как правило, не нуждаются в электроэнергии в силу отдаленного расположения от промышленных объектов и населенных пунктов. И только в Германии прибрежная зона Северного моря и побережье Тихого океана в США (штат Калифорния) одновременно удовлетворяют требованиям как производства, так и потребления электроэнергии, производимой ветроэнергетическими установками.

Первая в мире ВЭУ была построена Чарльзом Ф. Брашем - одним из основателей американской электрической индустрии. Он изобрел очень эффективный генератор постоянного тока, который использовал в общественных электрических сетях, а также первую коммерческую дуговую лампочку и эффективный способ производства свинцово-кислотных аккумуляторов. Его компания «Браш Электрик» в 1892 году слилась с «Эдисон Дженерал Электрик Компани», и новая компания получила ныне широко известное название «Дженерал Электрик Компани» (GE).

В течение зимы 1887-1888 годов Браш построил то, что сегодня называется первой автоматически управляемой ветровой турбиной для производства электроэнергии. Она была воистину гигантской - самой большой в мире. Диаметр ротора был равен 17 м, и ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра. Для осознания размеров этого циклопического сооружения обратите внимание на человека, подстригающего лужайку справа от турбины. Турбина проработала двадцать лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под турбиной. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт (рис. 1).

   Первая в нашей стране ветровая  электростанция 

мощностью  8  кВт  была сооружена в 1929-1930 гг.

под Курском по проекту  инженеров  А.Г.Уфимцева 

и В.П.Ветчинкина.  Через  год  в  Крыму  была  по-

строена  более  крупная   ВЭС мощностью 100 кВт,

которая была по тем временам самой крупной  ВЭС

в  мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во

время  войны  была  разрушена.  В настоящее время

в СССР выпускаются серийные ветроагрегаты

мощностью 4  и  30 кВт и готовятся к выпуску более

мощные  установки  100  и  даже  1000  кВт.

рис. 1. Первая в мире ветро-

ергетическая установка, по-

роенная в конце XIX века

США

Делаются первые  шаги  по  пути  перехода  от

единичных  автономных  ВЭС  к системам связан-

ных в единую сеть  многих  ветроагрегатов  большой

 мощности.

   Для реализации ветроэнергетического потенциала в США предложено несколько проектов.

1. Использовать вырабатываемую ВЭУ энергию для электролиза воды и запа-

ислорода и водорода, чтобы потом их использовать в топливных элемента 
производства электроэнергии.

2. Построить 150 тысяч башен высотой по 260 м с трехлопастными ветроколесами, приводящими во вращение генераторы по 1,5 МВт. Эти ветроустановки предлагается разместить по одной на квадратную милю. В результате получается установленная мощность около 225 ГВт, что составило бы существенную долю суммарной установленной мощности электростанций США.

3. Устанавливать ветроэнергетические установки в океане, закрепляя фундамент в океанское дно или устанавливая их на специальной платформе, которая удерживается с помощью якоря.

В настоящее время в мире используется более 17 000 ВЭУ различной мощности. Большая их часть установлена в Германии и штате Калифорния США. Мощные ВЭУ, а также установки средней мощности, объединенные в «ветровые фермы», могут работать параллельно с местными и региональными электросетями, обеспечивая заметную экономию топлива. По данным эксплуатации ВЭУ в Европе и Калифорнии, средняя продолжительность их работы в году в расчете на полную мощность составляет более 2000 ч.

Оценка ветроэнергетических ресурсов достаточна условна. Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности земли оценивается в 13 -1012 кВт·ч. Для практического использования реально можно рассматривать 10...20 % этой энергии.

В отечественной ветроэнергетике наметились два пути развития:

• создание крупных одноагрегатных ВЭУ;
• сооружение многоагрегатных ВЭУ.

Второй вариант более экономичен, так как ВЭС состоит из 10... 15 установок единичной мощностью 30 кВт. Это позволяет более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов.

Ветроэнергетические установки считаются экологически чистыми источниками энергии. Основывается такое утверждение на том, что они не дают вредных

выбросов в атмосферу. Выработка 1 ГВт · ч на ВЭУ позволяет снизить выброс двуокиси углерода на 969 т. Однако имеются и отрицательные воздействия.

1. Сильные порывы ветра и ураганы могут привести к разрушению ВЭУ. Наиболее опасной зоной является круг радиуса, равного высоте башни. Если же повреждение установки связано с отрывом лопастей, то радиус опасной зоны возрастает.
2. Вращающиеся лопасти создают помехи телепередачам и радиоприему УКВ в радиусе 3 км.
3. Шум, создаваемый ВЭУ средней мощности, слышен на расстоянии более 2 км, а на расстоянии 400 м уровень шума достигает 56 дБ. Опросы населения показывают, что отдельно стоящие ВЭУ воспринимаются достаточно спокойно, но ветровые фермы вызывают у человека определенное раздражение даже при их расположении на морском побережье.
4. Крупномасштабное применение ветроэнергетических установок на каком- то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения в данном районе.

Одиночная ВЭУ, а тем более ферма, требует установки подъездных путей, ЛЭП, а также линий связи, управления и пр. Поэтому территория, которая изымается для размещения ВЭУ, оказывается куда более значительной, чем может показаться на первый взгляд.

Потенциал ветровой энергии. Потенциал ветроэнергетики распределен по территории России неравномерно. Атлас ветров России указывает, что существует множество районов, где среднегодовая скорость ветра превышает 6,0 м/с.

Над большей частью территории России скорость ветра в дневное время выше, чем ночью, причем эти различия существенно менее выражены зимой. Годовой ход средней скорости ветра (т.е. разница между максимумом и минимумом среднесуточных скоростей) в большинстве районов России незначителен и варьируется в пределах от 1 до 4 м/с, составляя в среднем 2...3 м/ с. Более высокие амплитуды наблюдаются в центре европейской части России, в Восточной и Западной Сибири (за исключением северных районов) и особенно на Дальнем Востоке, где они достигают 4м/с. Годовые амплитуды менее 2 м/с наблюдаются над юговостоком и юго-западом европейской части России и над Центральной Сибирью . Зимой и осенью скорость ветра выше над большей частью России, за исключением южной части Центральной Сибири, где максимум скорости ветра приходится на теплые месяцы. Наивысшие скорости ветра над Якутией и Забайкальем наблюдаются в апреле - мае.

Ветровая энергия может использоваться во многих районах России, включая Архангельскую, Астраханскую, Волгоградскую, Калининградскую, Магаданскую, Новосибирскую, Пермскую, Ростовскую, Тюменскую области, Краснодарский, Красноярский, Приморский края, Дагестан, Калмыкию и Карелию. Большая часть потенциала приходится на территории, где плотность населения ниже одного человека на квадратный километр.