Что надо знать о ветроэнергетике

Поводом для написания данного материала послужили несколько обсуждений в Интернете, где, с одной стороны наблюдался живейший практический интерес участников ресурсов к теме ветроэнергетики, а с другой многие участники распространяли мифы и демонстрировали бытующие заблуждения относительно ветроэнергетики. В нижеизложенном материале, автор надеется ответить на некоторые, наиболее часто задаваемые вопросы и развеять мифы и заблуждения, сопровождающие ветроэнергетику. Материал рассчитан на широкую аудиторию читателей, имеющих элементарные знания по физике и математике.

Изучив материал, читатель не станет высококлассным специалистом в области ветроэнергетики, однако получит начальные знания в этой области, позволяющие свободно владеть основами ветроэнергетики. Читатель узнает о наиболее крупных ветроэлектрических станциях России и их основных характеристиках. Материал изложен по принципу всё о ветроэнергетике в связи со всем (окружающей средой, потребителем и т. п.)
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Энергия ветрового относится к возобновляемым источникам энергии и является производной от энергии солнца.
Ветроэнергетика, в широком понимании является древнейшей спутницей человека. Первые свидетельства об использовании энергии ветрового потока для перемола зерна восходят к 200 году д.н.э. Становление современной цивилизации в привычном нам виде тоже происходило с участием ветроэнергетики – парусное судно, которое является частным случаем ветроэнергетической установки позволило освоить весь земной шар.
Не смотря на это, современная ветроэнергетика является одной из самых динамично развивающихся отраслей энергетики. В период с 2000 г. до 2009 г. суммарная мощность всех ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире увеличилось в, приблизительно 6 раз и составила порядка 160 ГВт, а по прогнозам World Wind Energy Association (WWEA) к 2020 году может составить 2000 ГВт. При чём, растут как количество ветроэлектрических станций (ВЭС), так и установленная мощность ВЭУ.

Динамика роста единичной мощности ВЭУ и её габаритов  

Ветровой поток как ресурс ветроэнергетики
В глобальном масштабе ветровой поток является движением воздушных масс относительно земли, возникающий в атмосфере под действием разности давлений в различных областях. Для энергетического использования ветрового потока необходимо зть удельную кинетическую энергию ветрового потока, т. е. энергию воздушной массы плотностью ρ, кг/м3, имеющей скорость V, м/с:

Зная, что масса 1 м3 воздушного потока, имеющего плотность ρ кг/м3 текущего со скорость V м/с составляет ρ∙V видоизменим формулу:

Так, помня, что плотность воздуха ρ при нормальных условиях 1,225 кг/м3 ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение, площадью 1 м2 обладает энергией ≈ 40 Вт.
Подробнее остановимся на скорости ветрового потока V. Из формулы видно, как сильно значение скорости ветрового потока влияет на мощность (третья степень). На практике это означает, что ошибка в скорости ветрового потока на 10% повлечёт за собой 30% ошибку в мощности, а, следовательно и в выработке энергии. Сюда же добавим непостоянство ветра, давно ставшее притчей во языцех. Таким образом, важно понимать, что для достоверной оценки потенциальных возможностей применения ветроэнергетики в том или ином месте, необходимо иметь данные ветрового режима в данном месте. Под «местом» здесь можно понимать достаточно большие площади (иногда целые регионы). И если располагать данными о ветровом режиме, собранными на метеостанции, расположенной в нескольких десятках километрах от места, то такие данные можно считать репрезентативными, т. е. достоверными для нашего места.
Ещё одной особенностью ветрового потока, усложняющей определение достоверного значения скорости является его непрерывный и случайный характер. Строго говоря нет никакой возможности точно предсказать какое значение V будет через несколько секунд. Поэтому в ветроэнергетике принято считать, что скорость ветрового потока состоит из двух составляющих – осреднённой и пульсационной. Если в ветроэнергетических расчётах используется скорость ветрового потока V=4 м/c на практике это означает, что реальная скорость ветрового потока в любой момент времени будет колебаться вокруг некоторого значения, близкого к 4 м/c.
И, наконец, если говорить о скорости ветрового потока и месте, то нельзя не отметить, что на значение скорости V будут оказывать существенное влияние местные условия, такие как рельеф, препятствия и «шероховатость» поверхности. Рассматривая ветровой поток в приземном слое (до 200 м над поверхностью земли) как ресурс ветроэнергетики необходимо учитывать, что данные ближайшей метеостанции должны быть применены с учётом местных условий.
Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался строптивый, не постоянный и существенно подверженный «дурному влиянию» местных условий.

И всё-таки ветроэнергетика
Несмотря на вышеописанные сложности с достоверным определением главного ресурса ветроэнергетики – скорости ветрового потока V мировая ветроэнергетика за 10 последних лет в разы увеличила свои мощности.
Это можно объяснить несколькими факторами.
С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, что называется «на коленке» посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации. При этом не надо опасаться, что прогнозируемая выработка будет сильно отличаться от реальной, будь проект вашей ВЭС реализован. Ещё и 3D в google earth как это будет выглядеть покажет.

Законодателями в этой области компьютерного моделирования стали программы WAsP и WindPro.
В качестве исходной информации по значениям скорости ветрового потока уже давно нет необходимости (хотя и хорошо бы) иметь многолетние наблюдения за скоростью ветра. Для всех крупных регионов уже давно построены вероятностные характеристики, с большой степенью точности показывающие вероятность присутствия того или иного значения скорости ветрового потока. В мировой практике для этого используется двухпараметрическая зависимость Вейбулла.

Кривая вероятности присутствия скорости ветра по градациям 

То есть значение скорости ветрового потока V сопровождается вероятностью её присутствия f(V) и вышеприведённая формула определения удельной мощности ветрового потока принимает вид:

ВЭС являются экологически чистыми станциями. Точнее, надо сказать так: ВЭС оказывают принципиально иной спектр воздействия на окружающую среду, нежели традиционные энергоустановки. Для промышленных масштабов производства электроэнергии необходимо занять большие площади – из расчёта примерно 400 м2 на 1 кВт мощности. Это связано с тем, что для нормальной работы всех ВЭУ в составе ВЭС необходимо выдержать некоторые расстояния как между самими ВЭУ (5÷15 диаметров ветроколеса в зависимости от направленности розы ветров) так и между ВЭУ и крупными местными препятствиями. Однако следует отметить, что непосредственно под ВЭУ в составе ВЭС места нужно исходя из размера подъездных дорог и размера фундамента в плане, т.е. не так много, а площади, непосредственно прилегающие к ВЭУ можно задействовать, например для нужд животноводства (пастбища) или растениеводства.

6-ть ВЭУ 2,5 МВт крупнейшей в северо-западном регионе Дании 

ВЭС Ещё одной стороной влияния ВЭС на окружающую среду является визуальное восприятие ВЭУ. Здесь есть как субъективность – на вкус и цвет, как говорится, а есть и объективность – попадая на линию солнце-наблюдатель ВЭУ может существенно раздражать органы зрения мелькающими тенями. Электромагнитные помехи легко устраняются при учёте определенных норм в ходе проектирования ВЭС. Сильный акустический шум у современных ВЭУ присутствует только в непосредственной близости к работающей ВЭУ. Так в 100 м от работающей ВЭУ 2,0 МВт уровень шума составляет 40Дб. Влияние на фауну (убивают птиц) так же присутствует, но в гораздо меньших масштабах, чем может показаться. Так, под колёсам и на лобовых стёклах автомобилей птиц в мире гибнет на порядки больше чем на лопастях ВЭУ.
И, пожалуй, самой главной причиной активного роста мирового интереса к возобновляющимся источникам энергии в общем и к ветроэнергетике в частности является желание частичного и постепенного замещения мощностей традиционной энергетики, основанной на сжигании углеводородов. Так, например в Дании доля ветроэнергетики в энергосистеме страны составляет ~20%, и там есть регионы, в которых относительный баланс выработанной и потреблённой электроэнергии покрывается за счёт ветроэнергетики.

Конструкции ветроэнергетических установок
Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Оставив в стороне от рассмотрения экзотические конструкции ВК, дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:
1. Использующие подъёмную силу;
2. Использующие силу сопротивления.
К ВЭУ, использующим силу сопротивление X можно отнести, например парус.
ВЭУ использующие подъёмную силу Y преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y) значительно больше скорость ветрового потока V. Но об этом чуть ниже.

Прямоугольник аэродинамических сил действующих на крыло 

Они, в свою очередь могут быть классифицированы по:
1. ориентации оси вращения ВК;
2. положению ВК относительно всей конструкции.
Различают ВЭС с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Вертикально осевые ВЭУ обладают рядом достоинств, основным из которых является отсутствие необходимости ориентировать ВК на ветер. Однако минусы данных установок гораздо существеннее: необходим начальный момент страгивания (стартовое внешнее усилие для раскрутки ВК), невозможность использования ветрового потока верхних слоёв (до 100 м), сложный комплекс силовых проблем.
Поэтому в мировой ветроэнергетике горизонтальноосевые ВЭУ башенного типа преобладают над вертикальноосевыми в соотношении 98 к 2.
Для дальнейшего понимания “кухни” ВЭУ необходимо ввести два важнейших параметра, относящихся к конструкции ВК: коэффициент использования мощности и быстроходность ВК (коэффициент быстроходности).
Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593. Коэффициент использования мощности часто ошибочно сравнивают с КПД ВК. Это сравнение ошибочно по той простой причине, что ВК, в отличие от, например рабочего колеса паровой турбины использует далеко не весь ветровой поток, приходящийся на его площадь. Часть ветрового потока огибает ВК, в то время как в паровой турбине пару просто некуда деваться. Поэтому, говоря о паровой турбине имеем дело с КПД, а в случае ВК – коэффициенте использования мощности. Таким образом введя понятие коэффициента использований мощности ВК ξ можем рассчитать мощность любой ВЭУ по формуле:

где ξ – коэффициент использования мощности, S – так называемая ометаемая площадь ВК (для горизонтальноосевых ВЭУ – π∙R^2).
Максимальное значение ξ составляет 0,593 для идеального ВК. Для реальных современных ξ лежит в диапазоне 0,38…0,48
Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93
Быстроходность ВК Z определяется как отношение линейной скорости конца лопасти Vл к скорости ветрового потока V.

Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ от быстроходности ВК Ζ: 1 – идеальное ВК; 2,3 и 4 – двух-, трех- и много-лопастные горизонтальноосевые ВК; 5 – ротор Дарье (вертикальноориентированное ВК, использующее подъёмную силу); 6 – ротор Савониуса (вертикальноориентированное ВК, использующее силу сопротивления); 7 – четырехлопастное деревянное ВК мельницы. 

Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п. Однако быстроходность всё равно остаётся определяющим понятием для выбора типа ВЭУ.
Теперь, оперируя этими двумя важными параметрами и глядя на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. Взгляните на график. ВК использующие подъёмную силу имеют бОльший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение Z с ξ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение Z с ξ , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком Z может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса.
С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из колодца – вспомните голливудские вестерны, где на заднем плане маячит высоко поднятая на столбах ёмкость с водой, а рядом с ней ветряк – используются многолопастные ВЭУ. При неплохом ξ он имеет крайне низкий Z, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.
Экономика ветроэнергетики
Стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~1000$ (для сравнения в 80-е годы это было ~4000$). Стоимость 1кВт ч электроэнергии, выработанной установки составляет ~0,10$ (для сравнения в те же 80-е это было ~0,40$). Учитывая дороговизну, как самой установки, так и выработанной с её помощью электроэнергии можно сделать совершенно однозначный вывод: без поддержки государства ветроэнергетика в современном её состоянии обречена на коммерческий провал. Это подтверждают все страны, где ветроэнергетика датируется из государственных средств. Это усугубляется ещё и тем, что ни одна электрическая система в здравом уме не захочет брать электроэнергию, выработанную с помощью ВЭС. Дело в том, что ВЭУ вырабатывают некачественную энергию (см. выше рассуждения о частоте тока). Требуется комплекс достаточно серьёзного оборудования для исправления данной ситуации. Глядя на пульт мониторинга, показывающий выработку конкретной ВЭУ диву даёшься тому, что видишь. ВЭУ, подключенная в сеть при нестабильных или низких ветрах не только иногда даёт но и иногда ПОТРЕБЛЯЕТ электроэнергию из энергосистемы для поддержания собственной частоты вращения генератора. Это ад для любой электросистемы. Поэтому в той же Дании опытным путём пришли к выводу, что ветроэнергетика не должна превышать ~20% мощности всей их электросистемы. Выше этой цифры ветроэнергетика становится откровенно вредна для электросистемы страны.

Но даже для датируемой государством ветроэнергетики существует критический для коммерческого внедрения параметра – коэффициент использования установленной мощности (именно на него опирается срок окупаемости ВЭС). Его ещё часто дублируют числом часов использования. Данный параметр показывает какую долю (или сколько часов) от суммарного числа часов в году (8760 ч.) ВЭС будет вырабатывать электроэнергию. Если этот параметр слишком низкий <20% то срок окупаемости такой ВЭС будет измеряться десятилетиями. Для коммерческого успеха ВЭС коэффициент использования установленной мощности должен быть как можно выше. Так, например вышеупомянутая датская ВЭС имеет это параметр близким к 0,56, т. е. более половины количества часов в году она приносит прибыль своему владельцу. Ветроэнергетика в России

По данным на 2005 год установленная мощность крупных ВЭС в России составляла около 13 МВт. Самой мощной на тот момент считалась ВЭС в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка — в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании. Её суммарная мощность составляет 5,1 МВт.
 

Табл. 1 Технико-экономические показатели работы ВЭС в 2005 году (по данным ФСГС Росстата)

	Установленная мощность, кВт	Располагаемая мощность, кВт	Выработано э/э, тыс. кВт·ч	Товарная э/э на сторону, тыс. кВт·ч	Число часов использования установленной мощности/Киум
Респ-ка Коми, ВЭС Воркутинские электросети	1,200	1,200	151	112	126/1,43
Калининградская обл. Куликовская ВЭС	5,100	900	5198	5198	1019/11,60
Респ-ка Башкортостан, ВЭС Тюпкельды	2,200	2,200	1210	189	550/6,30
Респ-ка Калмыкия, Калмыцкая ВЭС	1,000	720	0	0	0
Чувашская респ-ка, Морпосадская ВЭС	200	0	0	0	0
Камчатская обл., ВЭС Южных сетей с. Никольское	500	500	270	270	540/6,20
Чукотский АО, Чукотская ВЭС	2,500	2,375	6767	69	2707/30,90
Ростовская обл., ОАО «Ростовэнерго», Маркинская ВЭС	300	300	37	н.д.	123/0,14
Мурманская обл., ЗАО «Ветроэнерго», ВЭС - 200	200	200	230	н.д.	1150/13,20
Ленинградская обл., ВЭС ООО «Красное»	75	75	50	н.д.	667/7,60
Всего	13,275	8,470	13 913	6769

Обратите внимание на ужасные, с коммерческой точки зрения показатели числа часов использования. Ещё одна ВЭС, которая обязательно будет построена к саммиту АТЭС 2012 года это Дальневосточная ВЭС мощностью ~36 МВт. Таким образом ДВ ВЭС станет самой крупной у нас в стране. Есть, правда у ООО «Русгидро» планы к 2015 году построить Волгоградскую ВЭС мощность 1 ГВт, но это пока только планы.
Вот некоторые предполагаемые характеристики ДВ ВЭС:
Местонахождение: о. Русский и о. Попова, Приморский край;
Средняя многолетняя скорость ветра 5,7 м/с;
Максимальная наблюденная скорость ветра 39 м/с;
Преобладающее направление ветра: северное;
Установленная мощность ветроэлектрической станции: ~36 000 кВт;
Единичная мощность ветроэнергетической установки: ~2 000 кВт;
Количество ветроэнергетических установок: 16…18;

Табл. 2 Модели предполагаемых ВЭУ

Модель	JSW J82 – 2.0	Enercon Е-82	Sinovel SL 1500/77	Suzlon S 88-2.0	Subaru S 80
Страна	Япония	Германия	КНР	Индия	Япония
Скорость ветра, м/с
Включения	3,0	2,0	3,0	4,0	4,0
Номинальная	12,0	12,0	11,0	14,0	25,0
Выключения	25,0	25,0	20,0	25,0	12,0
Буревая	70,0	59,5	59,5	59,5	70,0
ВК
Диаметр, м	82,6	82	77,4	88	80
Номинальная частота вращения, об/мин	19	6-19,5	9,7-19	15-17,6	11,1-19,6
Высота оси, м	65/80	78-138	65/70/80	79	80
Электротехническая спецификация
Генератор	Прямоприводный на постоянных магнитах	Кольцевой синхронный генератор	Асинхронный с двойным питанием	Асинхронный	Асинхронный с двойным питанием
Номинальная мощность, МВт	2,0	2,0	1,5	2,1	2,0
Редуктор	отсутствует	отсутствует	Планетарный с геликоидными передачами	трехступенчаты	трехступенчатый
Номинальное напряжение, В	660	690	690	690	1400
Номинальная частота, Гц	50/60	50/60	50/60	50/60	50

Фундамент: монолитный железобетонный, круглый мелкого заложения;
Диаметр: на скальных грунтах 20,4 м, на нескальных – 25,8 м;
Глубина заложения: на скальных грунтах 1,5 м, на нескальных – 2 м;
Годовая выработка: ~88 500 МВт×ч;
Коэффициент использования установленной мощности: 0,27;
Число часов использования: 2340;
Капитальные вложения ~2 800 000 тыс. руб.;
Удельные капитальные вложения: ~74 тыс. руб./кВт×ч;
Себестоимость электроэнергии: 1,80 руб./кВт×ч;
Показатели эффективности при тарифе на электроэнергию 7,5 руб/кВт×ч:
• Простой срок окупаемости 5,5 лет;
• Дисконтированный срок окупаемости 8,5 лет;
• Чистый дисконтированный доход 1 560 000 тыс. руб;
• Индекс доходности 0,56;
Внутренняя норма доходности 17,5 %

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 С одной стороны ветроэнергетику стали интенсивно внедрять в электросистемы не от хорошей жизни. С другой стороны сложно придумать более доступный и неисчерпаемый источник энергии, которым грех не воспользоваться. Для нашей страны ветроэнергетика весьма актуальна по той простой причине, что существует огромное количество сёл и деревень без централизованного электроснабжения. Однако важно понимать, что сама по себе ветроустановка не решает проблемы электроснабжения в целом. Сама установка это лишь видимая часть айсберга. К ветроустановке необходимо огромное количество оборудования для повышения качества электроэнергии, оборудования для резервирования и дублирования. Вообще, если говорить о перспективах ветроэнергетики, то автору материала они видятся в её комплексном использовании с другими ВИЭ. Так, например Волгоградская ВЭС планируется к работе не «сама по себе», а в комплексе с Волгоградской ГЭС в качестве гидроаккумулятора. Грубо говоря, ветер будет экономить воду водохранилища.

Гидроаккумулятор в Миссури (Taum Sauk) 

Конечно в данном материале «за скобками» осталось огромное количество специфических вопросов по ветроэнергетике. Но, на взгляд автора уже написанного должно хватить, что бы качественно оценить сильные и слабые стороны применения ветроэнергетики.

N.B. Материал полностью подготовлен и предоставлен пользователем NNM.RU donnerd с которым мы дискутировали в комментариях к новости Ветрогенераторы: вертикальные против горизонтальных. Это единственный на моей памяти человек который в ответ на "А ты сам напиши лучше", взял и написал.