Ветроэнергетика

Российский Университет Дружбы Народов

Экологический факультет

Курсовая работа по энергетической экологии

на тему

Ветровая энергетика: состояние проблемы

Руководитель:

Применко В.Н.

Выполнила

студентка гр.

ОСМ-202

Кукольщикова С.Б.

Москва

2000

Содержание:

Выполнила 1

Содержание: 2

Энергия ветра 3

Ветроэнергетика за рубежом 5

Табл. 3 Доля на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ 5

Табл. 4 Структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ 6

Табл.6. Суммарная установленная мощность ветростанций 7

Табл. 7 Соотношение стоимость электроэнергии/скорость ветра 8

Ветроэнергетика в России 9

Фундаментальные знания в области ветроэнергетики 10

Минусы ветроэнергетики 10

ВЭС с точки зрения экологии. 12

Литература 14

Энергия ветра

Энергия ветра — это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тоже возобновляемый источник энергии.

Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикян и живших одновременно с ними других народов, и ветряные мельницы. В принципе, преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно — для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом их существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполне п9нятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.

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 построена 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. Делаются первые шаги по пути перехода от единичных автономных ВЭС к системам связанных в единую сеть многих ветроагрегатов большой мощности. Первая такая система должна быть сооружена около поселка Дубки в Дагестане.

Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт (табл. 1).

Таблица 1. Наиболее крупные ветроэнергетические установки

Страна	Название установки	Диаметр рабочего колеса,м	Мощность, МВт
США	WTS-4	78	4
Канада	Eole	64	4
ФРГ	Growian	100	3
Великобритания	LSI	60	3
Швеция	WTS-3	78	3
Дания	Elsam	60	2

Одна из наиболее известных установок этого класса "Гровиан" была создана в Германии, ее номинальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4 МВт (табл.2.) . Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.

Таблица 2. Данные по БЭС в разных странах

Страна	Установленная мощность, МВт	Производство электроэнергии, ГВт/ч	Доля от установленных мощностей страны, %
США	1300	1700	0,18
Мексика	265	—	1,0
Дания	140	—	1,7
ЮАР	50	—	0,2
Нидерланды	20	10	0,11
СССР	3	5	0,001

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1 м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики.

Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс.ч.

В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса.

Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 °/о потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.

По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт./ч, то сегодня она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально [57, 90,94].

В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.

Ветроэнергетика за рубежом

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с среднегодовыми скоростями ветра более 5 м/сек успешно конкурируют с традиционными источниками электроснабжения.

Преобразование энергии ветра в механическую , электрическую или тепловую осуществляется в ветроустановках с горизонтальным или вертикальным расположением вала ветротурбины. Наибольшее распространение получили ветроэнергетические установки с горизонтальной осью ротора , работающие по принципу ветряной мельницы. Турбины с горизонтальной осью и высоким коэффициентом быстроходности обладают наибольшим значением коэффициента использования энергии ветра ( 0,46-0,48). Ветротурбины с вертикальным расположением оси менее эффективны (0,45) , но обладают тем преимуществом, что не требуют настройки на направление ветра. В таблице 3 приведены данные о доле на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ.

Табл. 3 Доля на рынке различных типов ВЭУ в старых землях ФРГ

Расположение оси ротора	Доля на рынке, %
Вертикальноосевые установки	9
Горизонтальноосевые установки из них: с наветреным расположением ротора за башней с подветренным расположением ротора	91 77 14

Наибольшее распространение из сетевых установок сегодня получили ВЭУ с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 $/кВт и имеет тенденцию к снижению. В таблице 4 приведена структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ.

Табл. 4 Структура мощностей ВЭУ в старых землях ФРГ

Класс мощности, кВт	Доля, %
10-19	11
20-49	19
50-149	34
150-500	26
401-1499	5
1500-5000	5

ВЭУ мегаваттного класса построены в ряде стран и на сегодняшний день находятся на стадии экспериментальных исследований или опытной эксплуатации.

Во многих развитых странах существуют Государственные программы развития возобновляемых источников энергии, в том числе и ветроэнергетики. Благодаря этим программам решаются научно-технические, энергетические, экологические, социальные и образовательные задачи. Генераторами проектов возобновляемых источников энергии в Европе являются исследовательские центры ( Riso, SERI( в настоящее время NREL), Sandia,ECN, TNO, NLR, FFA, D(FV)LR, CIEMAT и др.), университеты и заинтересованные компании.

В 1994 году , в Мадриде, на конференции “Генеральный план развития возобновляемых источников энергии в Европе” странами Европейского Союза была принята декларация. В “Мадридской декларации” были сформулированы цели по достижению 15% уровня использования возобновляемых источников энергии в общем потреблении энергии в странах Европейского Союза до 2010 г.[ 184 ]. В 1994 г. в странах Европейского Союза установленная мощность солнечных батарей, мини гидроэлектростанций и ветроэнергетичских установок составила 5.3 Вт, к 2010 году предполагается смонтировать оборудование с установленной мощностью 55 Вт.

Поставленные цели достигаются решением задач в области политики, льготного налогового законодательства, государственной финансовой поддержки через научно-технические программы , льготного кредитования, создания информационной сети, системы образования, стажировок, продвижения высоких технологий , созданием рабочих мест на производствах и подготовки общественного мнения.

Благоприятные условия для развития энергетики позволят к 2020 г. увеличить потребление электрической энергии на 30% в том числе за счет возобновляемых источников энергии на 15%.

В таблице 3. приведены соотношения для выработки электроэнергии различными возобновляемыми источниками энергии в странах Европы по оптимистическим и пессимистическим прогнозам до 2020 года. Прогноз составлен на основании анализа темпов прироста установленной мощности различных видов возобновляемых источников энергии в странах Европейского Союза. Доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке 15%, по оптимистической оценке 16%. Табл. 5

Таблица 5. Прогноз развития возобновляемой энергетики.

Возобновляемые источники энергии	В 2020 г. “Минимум”	В 2020 г. “Максимум” при благоприятной политике поддержки
			Mtoe	%	Mtoe	%
“Modern” биомасса		243	45	561		42
Солнечная	109	21	355		26
Ветровая	85	15		215	16
Геотермальная	40	7	91		7
Мини ГЭС	48	9		69	5
Приливов и волн	14	3	54		4
Суммарная	539	100		1345	100

В 1990 г. новые возобновляемые источники энергии составили 164 Mtoe (1,9 % ) от общей потребляемой энергии. В 1994 г. во всем мире установленная мощность ветростанций составляла 3200 MW , 1400 MW приходилось на Европу. В таблице 6 приведены данные о по странам.

Табл.6. Суммарная установленная мощность ветростанций

Страна, регион	Установленная мощность ( MW)
США Дания Германия Великобритания Нидерланды Испания Греция Швеция Италия Бельгия Португалия Ирландия Франция Остальные регионы Европы Индия Китай Остальные регионы Мира	1700 520 320 145 132 55 35 12 10 7 2 7 1 35 100 25 75
Всего	около 3200

Ежегодно в Европе установленная мощность ветроагрегатов составляет 200 MW При благоприятных условиях прирост установленной мощности может cоставить 800 MW. Наиболее эффективными по наращиванию установленной мощности ветростанций являются программы стран Европы , Китая, Индии , США, Канады.

Ежегодный оборот за счет продаж ветропреобразователей в странах Европы составляет 400 MECU. Более 10 крупнейших банков Европы инвестируют ветроэнергетическую индустрию. Более 20 крупных Европейских частных инвесторов финансируют ветроэнергетику. Стоимость ветровой энергии зависит в основном от следующих 6 параметров:

инвестиций в производство ветроагрегата ( выражается как отношение $/кв. м - цена одного кв. метра ометаемой площади ротора ветротурбины);

коэффициета полезного действия системы;

средней скорости ветра ;

доступности;

технического ресурса.

Табл. 7 Соотношение стоимость электроэнергии/скорость ветра

Параметры	Ситуация 1	Ситуация 2	Ситуация 3
Среднегодовая скорость ветра на высоте 10м	5.0-5.8 м/сек	5.5-6.4 м/сек	6.0-7.0 м/сек
Количествоэлектро энергии вырабатываемой ветроагрегатом	650 кВт ч/	825 кВт ч/	1140 кВт ч /
стоимость электроэнергии	0.046 ЕСU/кВтч	0.036 ECU/кВтч	0,026 ECU/кВтч

За последние три десятилетия технология использования энергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевых ветроагрегатов WECS. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Многие тысячи современных установок WECS оказались полностью конкурентоспособными по отношению к обычным источникам энергии. Существующие электрические сети осуществляют транспортировку электроэнергии вырабатываемые ветропарками в различные регионы.

В последние годы интенсивно стали развиваться технологии использования энергии ветра в изолированных сетях. В изолированных сетях электропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много раз выше , чем в централизованных сетях электропередач. Установки, производящие электроэнергию, обычно основаны на небольших двигателях внутреннего сгорания , использующих дорогостоящее топливо , когда расходы на транспортировку только топлива часто поднимают стоимость единицы произведенной энергии в десятки раз от стоимости энергии в лучших централизованных сетях электропередач. В небольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являются гораздо более гибкими: современный комплект генераторов на дизельном топливе можно запустить , синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чем за две секунды. Преобразование энергии ветра является альтернативным возобновляемым источником энергии , чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новые исследования технической осуществимости проектов использования ветроустановок совместно с дизельгенераторами в изолированных сетях показывают ,что мировой потенциал для независимых систем WECS даже выше, чему систем WECS, подключенных в обычные сети электропередач. В таблице 6 приведены параметры действующих ветро-дизельных систем. Указанные системы были построены в 1985-1990 г.г. Их эксплуатация выявила необходимость совершенствования систем, создания автоматизированного управления.

Таблица 6. Параметры действующих ветро-дизельных систем.

Страна	Место расположения	Мощность ветрогрегата, кВт	Мощность дизельгенера- тора, кВт	Мощность нагрузки, кВт
Австралия	Остров Роттнест	20,50,55	1100	90-460
Бразилия	Фернанд де Норонха	2х5	50	200 макс.
Канада	Остров Келверт	2х3	12	0,5-3,5
--#--	Кембридж Бэй	4х25	4: 380-760	2375 макс
--#--	Форт Северн	60	85,125,195	50-150
Дания	Ризо	55	125	30-90
Франция	место де Лас Турс	10х12	152	100 макс
Германия	Хелоголенд	12002	2-1200	1000-3000
--#--	Шнитлинген	11	25	1-15
Греция	Остров Китнос	5х22	31.4
Ирландия	Кейп Клиер	2х30	60	15-100
--#--	Айнис Ойр	1х63	1х12,1х26,1х44	---
Италия	Келбриа	20	2х20	---
Голландия	ECN	2х30	50	50
Норвегия	Фроуа	55	50	15-50
Испания	Буджерелоз	25	16	---
Швеция	Аскескар	18,5	8,1	---
--#--	Келмерский университет	22	20	---
Швейцария	Мартинджи	160	130	60-80
Велико британия	Остров Файр	55	1х20, 1х50	---
--#--	Фолклендские острова	10	10	---
--#--	Остров Ланди	55	3х6, 1х27	---
--#--	Машинилес	15	10
--#--	RAL	16	7
США	Острова Блок	150	1х225,400,500	1800 макс
--#--	Клейтон	200	1х400,1700; 2х1000; 3х1250	1000-3500

Ветроэнергетика в России

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка , осуществленные в ЦАГИ , заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полную глухоту к новациям и экологическим проблемам надолго затормозило развити ветроэнергетики. Выпускаемые “ Ветроэном” ветроустановки не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа “Экологически чистая энергетика”[193] . Для участия и получения финансирования были отобраны лучшие проекты ветроэнергетических установок различных классов по мощности. Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт , 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.

Начавшаяся перестройка, развал экономики и прекращение финансирования по программе не позволила довести указанные проекты до коммерческого уровня. Почти все проекты остались на уровне опытных и макетных образцов. Опытный образец ветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ “Радуга” , который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности. Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и успешно работает , вырабатывая 2300-2900 тыс. кВт ч электроэнергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ “ Радуга” были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8кВт и 250 кВт. Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики “ Energobalance Sovena” совместно с Германской фирмой Husumer SchiffsWert (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Сегодня возможны следующие сценарии развития ветроэнергетики в России:

закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов;

трансферт западных технологий и организация производства в России ;

кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагегатов в России ;

организация производства собственных ветроагегатов, ноу-хау которых защищено международным законодательством .

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим налоговым законодательством, монополией производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства.

Фундаментальные знания в области ветроэнергетики

Н

а примере совершенствования модели ветра можно показать что углубление знаний в этой области позволило приблизиться к адекватной модели преобразования энергии На рис. показаны: использование упрощенной модели ветра с осредненными параметрами по времени и в пространстве до 70 годов, учет изменения скорости ветра по высоте в 75 годы, использование турбулентной модели ветра в 85 годы.

а) б) в)

Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра

Минусы ветроэнергетики

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лип малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и мало эффективно.

Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с V S: 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны (табл. 7).

Таблица 7. Возможности использования энергии ветра в СНГ

Район	Средняя скорость ветра, м/с	Возможные типы ВЭС
Побережье Ледовитого океана, отдельные места у берегов Каспийского моря	>6	Крупные ВЭС по 3—4 МВт
Европейская часть СНГ, Западная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка	3,5-6	ВЭС средней мощности
Юг Средней Азии, Восточная Сибирь