Сегодня мы с вами поговорим об устройствах, механизмах, которые создал человек, чтобы сохранить окружающий мир, спасти землю от загрязнения и экологической катастрофы, когда возможно использовать силы природы для получения энергии, тепла, света, так необходимых человечеству для выживания.
Данная тема может быть рассмотрена на уроках окружающего мира, технологии, математики.
Возобновляемыми источниками энергии
Возобновляемыми источниками энергии следует считать ресурсы, которые невозможно исчерпать, потому что они - объективная природная данность.
Поставщиками возобновляемых энергоресурсов являются ветер, солнце, вода и тепло земли.
К числу возобновляемых источников относятся:
- энергия солнечного излучения; энергия ветра; гидравлическая энергия воды; энергия морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды; разности температур между воздушной массой и океаном; геотермальные источники; биомасса животного, растительного и бытового происхождения.
Смысл использования возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии необходимо применять для того, чтобы замедлить процессы влияния человеческой деятельности на изменение климата планеты, или же сделать эти процессы незначительными.
Если человеческая деятельность и не является причиной глобального потепления, то влияние ее на окружающую среду оказывается весьма существенным.
Выбросы парниковых газов - только верхушка айсберга экологических проблем, которые международное сообщество вынуждено решать прямо сейчас.
Глобальная социально-экономическая система, выстроенная человечеством, использует много ресурсов, не отдавая ничего взамен, кроме отходов, с которыми не справляются экосистемы.
Альтернативные или возобновляемые источники энергии станут мостом-путепроводом между сложившимися хозяйственно-экономическими отношениями и новой экономикой эффективного ресурсного менеджмента.
Возобновляемые источники неисчерпаемы, в отличие от ископаемого топлива, их использование безопасно для окружающей среды и здоровья человека.
Их использование дает независимость от региональной ценовой политики, потому что установки по выработке зеленой энергии, как правило, автономны.
Установка турбин по производству энергии в оффшорных зонах дает хороший экономический эффект в плане окупаемости проектов.
Развитие технологий по использованию возобновляемых энергоресурсов обеспечит в ближайшем будущем высокую конкурентоспособность относительно традиционных энергоносителей.
Недостатки и преимущества возобновляемых источников энергии
Слабым местом возобновляемых источников энергии является недостаточное развитие технологий по устойчивому промышленному производству электричества и тепла.
Однако уже сейчас можно использовать те или иные природные ресурсы (в зависимости от региона) для обеспечения частных домов, небольших поселений или городов экологически чистой электроэнергией или теплом.
К тому же, технологии стремительно развиваются и те устройства, которые раньше были доступны только обеспеченным слоям населения, становятся массово доступны.
Преимуществом альтернативной энергетики является ее возобновляемость и экологическая безопасноть.
Все энергоносители Земли появились благодаря Солнцу. Уголь, нефть, природный газ - появились за счет непосредственного воздействия Солнца на процессы, которые происходили на Земле тысячи лет.
Однако добывать ископаемое топливо технически гораздо сложнее, чем пользоваться возобновляемыми энергоресурсами, которые также возникают и доступны благодаря Солнцу.
Ископаемых ресурсов хватит нескольким поколениям, постепенно они будут дорожать и станут дефицитными.
Возможно, этот дефицит какое-то время будет поддерживаться искусственно рядом монополий для извлечения сверхприбылей, распространяя через масс-медиа мнение о неспособности альтернативной энергетики обеспечить потребности хозяйственной инфраструктуры государств.
Сегодня в различных социальных системах есть понимание, что возобновляемые энергоресурсы первичны по сути своей.
Для того, чтобы их осваивать, не нужно бурить гигантские скважины и разрабатывать огромные карьеры.
Использование возобновляемых энергоресурсов является закономерным этапом эволюционного процесса технологического развития.
И сегодня мы остановимся на одной из отрасли.
Ветроэнергетика — это отрасль по производству электроэнергии из кинетической энергии воздушных масс в атмосфере.
Энергия ветра является следствием солнечной активности, ее запасы безграничны.
Процесс промышленного производства электроэнергии из ветра является безопасным для окружающей среды, так как вбросы СО2 сведены к нулю.
В ветрогенерации используется следующие типы установок: горизонтальные ветряки, предназначенные для установки на суше и в пребрежных зонах, ветряки с вертикальной осью, ветряки, дрейфующие в воздухе, также существуют ветрогенераторы, встраиваемые в фасады здания.
Широко применяются горизонтальные ветряки, предназначенные для установки на суше.
Из таких ветрогенераторов организуются промышленные станции, или ветрофермы. Конструкция горизонтальных ветряков выполнена по принципу ветряной мельницы и требует больших открытых пространств.
Ветрофермы могут покрывать потребности в электроэнергии больших городов.
Для обеспечения электроэнергией небольших кварталов или отдельных зданий используются вертикальные ветряки.
Эти ветрогенераторы не требуют больших территорий, компактны и работают на малых ветрах.
Они абсолютно бесшумны, надежны и привлекательны с точки зрения пространственного дизайна.
Ветряки на вертикальной оси эффектно смотрятся вблизи зданий.
Существуют ветрогенераторы, которые могут быть встроены в фасад здания. Такие установки полностью покрывают потребности здания в электроэнергии, служат элементом стиля и индикатором амбиций архитектора.
Ветровые станции в прибрежных зонах формируются из ветряков на горизонтальной оси. Они устанавливаются на платформе, которая сваями крепится к морскому дну.
Ветростанции прибрежных зон — надежные поставщики энергии, так как ветры на море бывают всегда.
Дрейфующие в воздухе ветростанции являются весьма перспективными энергообъектами.
Ислледования по данной технологии еще ведутся, функционируют только экспериментальные образцы.
Очевидным преимуществом дрейфующих станций является их надежность и мизерная потребность в земельных участках под промышленную зону
Что такое ветроферма или ветрогенераторная станция
Ветрофермы или ветрогенераторные станции — это комплексы ВЭУ, часто установленных рядами, которые перпендикулярны господствующему направлению ветра.
При разработке такого проекта нужно учитывать наличие дорог для доступа к агрегатам, подстанции, мониторинговой и контрольной системам. Обычно участок земли, отведенный под ветроферму, используется и на другие нужды, например сельскохозяйственные.
Большие ветрогенераторные станции являются сегодня весьма актуальными проектами масштабного электроэнергоснабжения, поскольку решения, направленные на развитие возобнавляемых источников энергии, являются сегодня приоритетными для большинства развитых стран.
По некоторым оценкам, в странах, где ветроэнергетика активно развивается, она уже сейчас может конкурировать с тепловыми энергоисточниками по себестоимости энергии за киловатт/час.
По сравнению с 80-ми годами прошлого столетия себестоимость ветровой энергетики уменьшилась почти на 80% до около 70 евро за мегаватт/час и в 2008г. достигла рекордного уровня.
Учитывая это, аналитики уверены, что ветровая энергетика может конкурировать с тепловой энергетикой (по крайней мере в западном мире).
По некоторым прогнозам, до 2015 г. электроэнергия, полученная на основе газа и угля, будет намного дороже, чем ветровая энергия в связи с истощением мировых запасов и активным повсеместным развитием возобнавляемой энергетики.
В общем, за последние три года мощности ветровой энергетики в мире выросли в 2 раза.
В ближайшее время рынок ветровой энергии конечно ощутит негативное влияние экономического кризиса и в 2009 г. будет развиваться медленнее, чем в 2008 г., но процесс активного развития ветровых энергостанций в мировом масштабе неминуем.
История ветроэнергетики - мировые перспективы развития
Первая в мире современная ветроэлектростанция с горизонтальной осью мощностью 100 кВт была построена в 1931 г. в Крыму.
Дания, как ведущая сегодня страна в ветроэнергетике, достигла больших успехов в использовании воздушных потоков для производства электроэнергии. Ветрогенераторные станции уже сегодня обеспечивают десять процентов потребностей страны в электричестве.
В ближайшие десятилетия этот показатель будет постепенно возрастать и к 2030 г. достигнет 50%.
Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.
В 2008 г. суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 120 ГВт.
Ветряные электростанции всего мира в 2007г. произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии.
Во всём мире в 2008 г. в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тыс. человек. В 2008г. мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 млрд евро, или около $46,8 млрд.
В 2007 г. в Европе было сконцентрировано 61% установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20%, Азии 17%.
Правительством Канады установлена цель к 2015 г. производить 10% электроэнергии из энергии ветра.
Германия планирует к 2020 г. производить 20% электроэнергии из энергии ветра.
Европейским Союзом установлена цель: к 2010 г. установить 40 тыс. МВт ветрогенераторов, а к 2020 г. — 180 тыс. МВт.
Страны Евросоюза в 2005 г. вырабатывают из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии.
В 2007 г. ветряные электростанции Германии произвели 14,3% от всей произведённой в Германии электроэнергии.
В 2007 г. более 20% электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра.
Индия в 2005г. получила из энергии ветра около 3% всей электроэнергии.
В 2007 г. в США из энергии ветра было выработано 48 млрд кВт·ч электроэнергии, что составляет более 1% электроэнергии, произведённой в США за 2007г.
В Испании 22 марта 2008 г. из энергии ветра было выработано 40,8% всей электроэнергии страны. В этой стране к 2011г. будет установлено 20 тыс. МВт ветрогенераторов.
В Китае принят Национальный План Развития. В нем сказано, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 г. и до 30 тыс. МВт к 2020 г.
Индия к 2012 г. увеличит свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005г. К 2012 г. будет построено 12 тыс. МВт новых ветряных электростанций.
Новая Зеландия планирует производить из энергии ветра 20% электроэнергии.
Великобритания планирует производить из энергии ветра 10% электроэнергии к 2010 г.
Египет намерен к 2010 г. установить 850 МВт новых ветрогенераторов.
Япония планирует к 2010 — 2011 г. увеличить мощности своих ветряных электростанций до 3 тыс. МВт.
Международное Энергетическое Агентство International Energy Agency (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. спрос на ветрогенерацию составит 4,8 тыс. Гигаватт.
Перспективы ветроэнергетики в России
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 тыс. млрд кВт·ч/год.
Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2006 г. составляет около 15 МВт.
По сравнению с западными странами Россия явно делает недостаточно усилий для развития ветроэнергетики.
Ветроэнергетика как альтернативный ресурс энергии может стать стабилизирующим звеном экономики России, ввиду возможного падения цен на нефть и газ и сокращения их добычи ввиду развития альтернативной энергетики и сокращения потребительского спроса.
Сегодня наша экономика имеет монополярную ориентацию на экспорт нефти, атомной энергии, газа и угля.
Именно эти ресурсы являются существенной долей валового дохода государства и определяют уровень стабильности экономики.
В случае падения спроса на традиционные энергоресурсы или колебания цен — экономическая стабильность страны подвергается опасности.
Назначение и применение крупных ветростанций
Прежде всего, ветроэнергетика — это возможность электроснабжения за счет свободного, бесконечноемкого и экологически безопасного ресурса — ветра.
Ветрогенераторные станции вырабатывают достаточную электроэнергию без вредных выбросов, сокращают эмиссию CO2 в атмосферу, таким образом восстанавливают экологию, их ресурс неисчерпаем и неиссякаем в перспективе.
Мощные ветрогенераторные станции способны решать проблемы энергоснабжения как крупных населенных пунктов так и небольших поселений. Уже сегодня один ветрогенератор станции способен вырабатывать до 7,5 Мвт.
Обычно ветрогенераторные станции насчитывают от 5 до нескольких сотен ветрогенераторов, расположенных рядом друг с другом.
Особенно выгодно рассматривать ветрогенераторные станции в условиях нового строительства на неосвоенных территориях.
Ветрогенераторные станции дают определенную свободу и независимость от ценообразования на ресурс ввиду своей автономности и бесплатности ветра.
Принципы работы, механика устройств ветроустановок
Ветер, движущийся горизонтально вдоль открытого пространства земли или поверхности моря, при соприкосновении с крыльями ротора ветрогенератора, заставляет их вращаться, те в свою очередь, вращают стержневую ось, которая приводит в движение механизмы генератора, преобразующего механическую силу вращения в электроэнергию.
Лопасти ВЭУ вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ВЭУ.
В основном для ветрогенераторных энергостанций используется ветряки с горизонтальной осью вращения.
ВЭУ с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, — наиболее распространенный тип ВЭУ.
Расположение ведущего вала ротора — части турбины, соединяющей лопасти с генератором, — считается осью машины.
У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально.
В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой — так называемый наветренный ротор или за опорой — подветренный ротор.
Чаще всего турбины с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим числом лопастей.
Последние ВЭУ представляют собой диск с большим количеством лопастей. Они получили название «монолитных» установок.
Такие установки используются, в первую очередь, в качестве водяных насосов.
Когда ротор турбины с малым количеством лопастей (две-три) не является сплошным, такие ветрогенераторы относят к «немонолитным» установкам.
Для наиболее эффективной работы ВЭУ ее лопасти должны максимально взаимодействовать с ветровым потоком, проходящим через площадь вращения ротора.
ВЭУ с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения.
В то время как установки с двумя или тремя лопастями должны вращаться с очень высокой скоростью, чтобы максимально «охватить» ветровые потоки, проходящие через площадь ротора.
ВЭУ с большим количеством лопастей менее эффективны, чем турбины с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу.
По способу взаимодействия с ветром ВЭУ делятся на установки с жестко закрепленными лопастями без регулирования и на агрегаты, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом.
Обе конструкции имеют преимущества и недостатки. ВЭУ, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии.
В то же время, эти ВЭУ должны быть оснащены специальными подшипниками, которые, исходя из имеющегося уже опыта, часто являются причиной поломок агрегатов.
Турбины с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, однако их эффективность использования ветрового потока ниже.
Основные компоненты ветроустановок
Ветроколесо
Ветроколесо (ротор) преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины.
Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин.
Лопасти ветроколеса производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас.
Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 м, вес лопасти может превышать 1 тыс. кг. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна.
Мультипликатор-трансмиссия
Мультипликатор-трансмиссия — промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора.
Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются.
Башня
На башне (ее иногда укрепляют стальными растяжками) установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м.
Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни.
Основание
Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.
Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину.
Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.
Система контроля
Большинство систем ВЭУ контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ВЭУ.
Система контроля угла наклона лопастей «разворачивает» лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора разворачивает ВЭУ по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.
Электронная система контроля
Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра.
Генератор
Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ВЭУ.
Общая схема промышленного ветрогенератора
- Фундамент Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления Башня Лестница Поворотный механизм Гондола Электрический генератор Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр) Тормозная система Трансмиссия Лопасти Система изменения угла атаки лопасти Колпак ротора Система пожаротушения Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора Система молниезащиты
Типы горизонтальных ветрогенераторов для ветровых станций
Промышленные ветрогенераторы разделяются по размерам и мощностям, а также по адаптивности к местности в которой они будут размещены: холмы, равнина, прибрежная зона, морские заливы.
Важнейшим фактором является сила и частота ветра в месте, где устанавливается ветрогенераторная станция.
Если выразить эту типологию вобщем, то промышленные ветрогенераторы начинаются от 10 до 115 м в высоту.
Соответственно высоте, пропорционально увеличивается диаметр и размер крыльев.
Следовательно, увеличивается и мощность вырабатываемой энергии от 5 Квт до 7,5 Мвт с одного ветряка.
Есть примерно 10 градаций между этими крайними показателями по размерам и мощности.
Комплексное применение с другими устройствами
Важным качеством ветрогенераторной станции является то, что ВЭУ могут быть соединены с общей электро сетью и передавать вырабатываемую энергию в нее, или могут быть автономными, где потребитель находится в непосредственной близости от ветроагрегата.
Ветрогенераторы могут сочетаться с любыми другими эффективными способами выработки энергии — дизельными подстанциями, газогенераторными станциями, фотоэлектрическими панелями и т. д. Они очень эффективно работают в цепи комплексных микро и макро генераций энергии для электричества и отопления.
Где и как применяются в окружающей среде
Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике.
Ветрогенераторные станции требуют открытых пространств с частыми и равномерными ветрами. Поэтому для них выбираются как правило равнинные местности, поля, пустыни, вершины холмов или предгорьев, открытая береговая линия или просторы морских заливов.
На земле ветряки устанавливают стационарно монтируя установку в землю, в море ее монтируют в площадку, которая в свою очередь фиксируется к морскому дну.
На ветровые ресурсы влияет рельеф земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 м. В связи с этим планирование места под ВЭУ должно проводиться более тщательно, чем скажем при монтаже солнечной системы.
Установка промышленных ветряков
Как правило, этот процесс выполняет специалисты компании-производителя.
В связи с большими размерами частей промышленного ветряка его по частям доставляют к месту установки на грузовых автомобилях и с помощью кранов монтируют в предварительно приготовленную площадку.
Площадка представляет собой стабилизирующую, тяжелую и очень прочную основу, которую полностью вкапывают в толщу земли.
В это основание вставляют электрооборудование и стержень ветряка. Затем, как правило, прикрепляют ротор с лопастями. Все коммуникации от ветряков, как правило, прокладываются под землей вплоть до общей сети электроснабжения, либо до зданий потребителей энергии.
Установка в море требует больших затрат и усилий из-за сложности доставки частей по морю, подготовки тяжелого основания, прикрепленного к морскому дну и прокладки коммуникаций по морскому дну.
В среднем, обычно установка ветровой станции происходит из расчета 1-5 ветряков в неделю на земле и 1 ветряк в неделю в море.
Общие инженерные данные
Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность.
Эта величина указывает, сколько кВт·ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке.
Так, 500 кВт-ная ВЭУ произведет 500 кВт· ч энергии за час работы при скорости ветра 15 м/сек (максимально необходимая скорость ветра).
Обычно 600 кВт-ная машина в год производит около 500 тыс. кВт· ч при средней скорости ветра 4,5 м /сек.
При скорости ветра 9 м/сек она выработает до 2 000 000 кВт·ч в год.
Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 600 кВт) на среднюю годовую скорость ветра.
Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности (КПД) для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке.
КПД — это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года.
Например, если 600 кВт-ная турбина вырабатывает 2 млн. кВт в год, расчет ее КПД выглядит следующим образом: 2 000 000:(365,25·24· 600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38%.
Теоретически значение КПД может варьироваться от 0 до 100%, но практически он располагается в пределах от 20 до 70% и чаще всего КПД равен 25-30%.
Обычно в ветрофермах (ветрогенераторных станциях) используются крупные ветроагрегаты мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт и выше.
При этом общая мощность ветрофермы может достигать десятков и сотен мегаватт.
В штате Калифорния (США), например, за счет использования ветроферм производится столько электроэнергии, что ее хватает для удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как Сан-Франциско, в течение года.
Экономическая целесообразность: ситуация в мире
Ветровые энергостанции прежде всего выгодны в своей долгосрочной перспективе, особенно на фоне экологических проблем, удорожания энергоресурса из невозобнавляемых источников и дорогого подключения к традиционной электросети.
Средний возраст износоустойчивости современного ветряка — 25 лет.
Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют $1,2-$1,4 тыс. на 1 кВт установленной мощности.
Себестоимость энергии — 3,5-7 центов за 1 кВт/ч (10 лет назад было 16 центов).
При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС.
Мировая ветроэнергетика вышла на самостоятельную прибыль и существует без каких-либо дотаций, но при активном госрегулировании.
Ведущие европейские компании выпускают серийно ветродвигатели мощностью 660, 850, 1,8 тыс. и 2 тыс. кВт, предназначенные для работы на энергосеть.
Только датская фирма "Vestas Danich Wind Technology" с начала 1980-х годов установила около 11 тыс. ВЭС по всему миру.
Несколько лет назад появились ветроустановки мегаваттной мощности с размахом лопастей 90 м и более.
По прогнозам самолетостроительного концерна Boeing, в наступившем десятилетии будут созданы ветроагрегаты мощностью 7 МВт (сегодня самые крупные из них вдвое слабее).
Экономическая целесообразность - ситуация в России
Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5-7 лет, системы «ветро-дизель» — за 2 года.
В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться.
Россия обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт/ч электроэнергии в год, поэтому работа больших и малых ВЭС на огромных российских пространствах могла бы быть высокоэффективна.
Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам.
Среднегодовая скорость ветра на высоте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с., притом, что «золотым» порогом ветроэнергетике считается скорость ветра 5 м/с (это связано с окупаемостью станций).
Но, несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков.
Основная причина — отсутствие инвестиций и законодательной базы.
Что касается цен, то разрыв между российскими и западными ветряками очевиден.
Ветроустановка мощностью 5 кВт российской сборки стоит 12,5 тыс. евро. Зарубежная, с учетом доставки и таможенного оформления, — уже больше 40–60 тыс. евро.
Тенденции развития технологий в ветроэнергетике
Департамент Энергетики США (DoE) финансирует разработки и испытания ветрогенераторов мощностью 5-8 МВт как для наземного использования, так и для установке в море.
Норвежская компания Hydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины.
Hydro планирует запустить демонстрационную версию мощностью 3 МВт в ближайшем будущем. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.
Компания Magenn разработала аппарат легче воздуха с установленным на нём ветрогенератором.
Аппарат поднимается на высоту 120-300 м.
Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Он может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.
Компания Windrotor предлагает новую очень эффективную конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра.
Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.
Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 г. объявил о готовности финансирования строительства особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.
В мае 2009 г. в Германии был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне компании Advanced Tower Systems (ATS).
Нижняя часть башни высотой 76,5 м построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 м построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет
180м.
Инновационные особенности ветропарков, дрейфующих в небе
- В Канаде в 2009г. запущено серийное производство дрейфующих в небе ветрогенераторов. Дрейфующие в воздухе ветрогенераторы по сути своей те же аэростаты, только изготовлены они с целью преобразования энергии ветра в электричество.
Пока дрейфующие установки способны только на микрогенерацию, но в дальнейшем, с развитием технологии, они смогут конкурировать с известными на рынке моделями ветряков.
У дрейфующих ветрогенераторов есть несколько преимуществ перед обычными ветряными турбинами:
- упрощенная развертка (то есть установка) системы; снижение издержек на развертку; мобильность и гибкость: есть возможность переносить систему; улучшение эксплуатационных характеристик.
Главное достоинство системы MARS заключается в отсутствии любых природных и физических ограничений по размещению системы.
Береговые линии или оффшорные территории отныне не являются единственными источниками высокой и постоянной скорости ветра.
Способность системы использовать ветра на высоте 300 м над уровнем земли дает возможность быть ближе к основной электросетевой энергоинфраструктуре.
Технические особенности ветрогенератора связаны с материалами, используемыми при его создании.
Оболочка баллона и троса ветрогенератора MARS сделана из материала Vectran. Этот материал использует агентство NASA при обшивке космических шаттлов.
Vectran прочнее и легче стали, износоустойчивый и влагостойкий. На него не влияет ультрафиолетовое излучение, он пожаробезопасный.
В ветродвигателе предусмотрен внутренний пузырь - ballonet, для поддержания давления.
Таким образом решаются проблемы, связанные с трехсотметровым троссом и его сильным натяжением.
Создателей MARS консультировали инженеры, создавшие привязные беспилотные аэростаты (действуют на высоте 4,5 тыс. м), которые использует департамент обороны США для отслеживания и поимки наркоторговцев из стран карибского бассейна, пытающихся проникнуть в Калифорнию.
Принцип работы дрейфующего ветрогенератора
MARS - ветродвигатель, который легче воздуха. Он вращается относительно своей горизонтальной оси под действием ветра и производит электроэнергию.
Электроэнергия передается вниз по трехсотметровому тросу для немедленного использования или для резервирования в батареях для последующего потребления.
Держаться в воздухе ветрогенератору MARS помогает жидкий гелий.
MARS захватывает потоки ветра, доступные на высоте от 180 до 300 м, а также низкие ночные струйные потоки, которые существуют практически во всем мире.
Поворотная функция (ротация) MARS'а производит так называемый "магнус эффект", который обеспечивает дополнительный подъем системы, стабилизирует и фиксирует ее положение в определенной точке координат воздушного пространства.
Такой контроль системы в воздухе согласуется с правилами Федерального управления гражданской авиации и основополагающими правилами воздушного трафика Канады (MARS разработан в Канаде).
Воздействие на окружающую среду
Система дрейфующего ветрогенератора MARS практически бесшумна благодаря используемым материалам, конструкции и удаленности от земли.
Дрейфующие ветряки совершенно безопасны для птиц и летучих мышей.
Применение MARS приводит к существенному снижению каких-либо вредных выбросов в атмосферу.
Простая конструкция ветряков позволяет снизить обработку, транспортировку и расходы на изготовление ветрогенераторной системы.
Производственные недоработки
Существует ряд ограничений для массового применения дрейфующих ветряков:
- система запрещена к использованию в контролируемом воздушном пространстве или в пределах 5 км от любого аэропорта; практически во всем мире потребуется разработка специальной системы оповещения пилотов о наличии MARS в воздухе; необходима система предупреждающих сигнальных огней; ветрогенератор должен быть оснащен специальными устройствами, позволяющими в черезвычайной ситуации быстро и плавно опускать баллон на землю; баллон должен быть оснащен специальным радио-маяком на случай отрыва от кабеля и свободного перемещения по небу; баллон должен быть покрыт специальной светоотражающей краской, которая не будет создавать эхо, оповещающее ближайшие локаторы о наличии несанкционированных объектов в воздушном пространстве.
Применение дрейфующих ветряков
Предполагется, что дрейфующие мини-станции будут пользоваться спросом в развивающихся странах, где энергетическая инфраструктура ограничена или отсутствует.
Микрогенерация будет актуальна на изолированных островах, особенно при комбинированном использовании с дизельным генератором.
Также дрейфующие станции пригодны для обеспечения энергией фермерских хозяйств, фабрик и поселений общин в отдаленных районах.
Ветряки пригодны для питания геологоразведовательных станций.
В целом, их можно использовать в качестве резервных мощностей в любых отраслях.
Например, на нефтяных вышках в море, в качестве электростанции быстрого развертывания в районах стихийных бедствий, для электроснабжения медицинского оборудования во время чрезвычайных происшествий, для снабжения водяных насосов.
Также дрейфующие ветряки можно использовать в качестве развертывания альтернативного ветропарка.
Экономическая целесообразность
MARS - это мобильная энергосистема, она может быть оперативно развернута без каких-либо башен, кранов и других вспомогательных устройств.
Энергетическую установку MARS можно дополнить дизельным генератором. Такое комбинирование способно обеспечить мощность ниже $0.20 цента за кВт ч. (расчет актуален для Канады).
Ценообразование кВт для дрейфующих ветряков можно сравнить с затратами на расход топлива дизельных станций, который составляет от $0,50 центов до $0.99 центов за кВт ч (здесь заложен высокий расход топлива и затраты на его транспортировку в удаленные районы).
В отличие от классических горизонтальных ветряков, MARS является закрытой установкой циллиндрической формы, которая спроектирована так, что легко работает на высоких и низких скоростях ветра.
Закрытая структура ветряка позволяет использовать различные габариты роторов от очень маленьких, до чень больших. Это один из основополагающих моментов ценообразования системы.
Отличительные преимущества системы заключаются в следующем:
- дрейфующая система дешевле, с точки зрения себестоимости единицы электрической энергии, чем другие ветроэнергетические системы; эффективность при передаче электроэнергии вниз по проводу составляет от 25 до 60%. Это дает возможность сократить расходы на каждый выработанный ватт более чем в 2 раза; ветряки могут быть ближе к непосредственному потребителю: это снижает расходы на строительство ЛЭП; роторы дрейфующих ветряков эффективны при скоростях ветра от 2 м / сек вплоть до 28 м / сек., и более; ветряки могут быть подняты на большие высоты, где всегда дуют интенсивные ветра. Сейчас ветряки можно расположить на высоте от 120 до 300 м; дрейфующие ветряки мобильны и могут быть легко перенесены в новые места, соответствоено меняющимся ветрам. Мобильность также полезна при развертывании в чрезвычайной ситуации.
Таким образом, есть основания полагать, что ветряки MARS могут быть рентабельными установками.
