Офшорные вэс или вэс морского базирования

Успех первых офшорных ВЭС, установленных на мелководье в прибрежной зоне, вызвал огромный интерес к использованию ветрового потенциала прибрежных зон, особенно после того, как количество подходящих для ветроэнергетики площадок на суше уменьшилось из-за повсеместной установки "сухопутных" ВЭУ. В море ветер дует сильнее, а большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. Оба эти фактора имеют огромное значение для дальнейшего крупномасштабного развития офшорной ветроэнергетики. Во-первых, увеличение средней скорости ветра на 10% может привести к возможному приросту выработанной энергии на 30%. Во-вторых, использование континентального шельфа глубиной до 30 м и расстоянием от берега до 30 км предполагает значительные экономические преимущества. В условиях будущего технологического прогресса, например, плавучие ВЭС или высоковольтные линии передач постоянного тока смогут помочь в освоении глубоководных территорий Средиземноморья и других пригодных для ветроэнергетики участков, расположенных как за пределами Европы, так и на отдаленных морских территориях. В недавно проведенном исследовании в рамках европейской программы по энергетике "без атомной энергии" - JOULE потенциал использования офшорной ветроэнергетики в странах Евросоюза был оценен величиной, в два раза превышающей современное потребление энергии. В 90-х годах были предприняты первые многообещающие шаги по развитию офшорных технологий и накоплению опыта. Была обоснована возможность создания и развития офшорной ветроэнергетики. Учитывая существующую потребность в экологически чистой энергетике, появление новой технологии было отмечено как значительный вклад в решение проблемы энергообеспечения в Европе. Кроме того, внедрение офшорных технологий имеет меньше ограничений с точки зрения охраны окружающей среды, чем наземных, благодаря наличию огромных подходящих территорий и более мягких требований к шуму. В целом, перспективы офшорной ветроэнергетики оценены весьма положительно. Сегодняшние инвестиции в эту технологию можно рассматривать как подготовку к огромному энергетическому рынку завтрашнего дня. Офшорная ветроэнергетика является особенно обещающей в странах с высокой плотностью населения и, следовательно, испытывающих недостаток в подходящих для ветроэнергетики площадках, расположенных на суше. Капитальные затраты на строительство ВЭУ морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на офшорных ВЭУ существенно выше. Датские электроэнергетические компании объявили о планах строительства ВЭС суммарной установленной мощностью до 4000 МВт в офшорных зонах после 2000 года. Ожидается, что запланированные офшорные ВЭС выработают 13,5 ТВт·ч электроэнергии, что соответствует 40% потребления электроэнергии в Дании. Четыре офшорных участка (площадью 135-500 км² и глубиной 5-15 м) оценены в качестве подходящих для установки ВЭУ при условии решения ряда вопросов, связанных, например, с экологией, ландшафтом, рыболовством, обороной, связью, транспортом или национальными памятниками. Себестоимость 1 кВт·ч выработанной энергии при условии ссуды на 20 лет и 5% скидки оценивается на уровне 0,05 долларов США.
Весной 1998 года 5 демонстрационных проектов по строительству офшорных ВЭС были реализованы в Дании, Нидерландах и Швеции. Технические характеристики этих станций выглядят следующим образом: использовались ВЭУ среднего размера, класса 500 кВт; общая установленная мощность ВЭС до 5 МВт; глубина воды менее 10 м; достаточно близкое расстояние от берега - от 40 м до 6 км. Стоимость выработанной энергии на пилотных ВЭС значительно превышала показатели традиционных ВЭС, установленных на хорошем, с точки зрения ветроэнергетики, участке. Однако "План работы для больших офшорных ВЭС", существующий в Дании, отмечает, что стоимость энергии, выработанной на офшорных ВЭС, конкурентоспособна со стоимостью энергии, выработанной на береговых ВЭС, установленных на среднестатистических площадках. Более того, стоимость энергии, выработанной за счет ветра, близка или находится в диапазоне цен на энергию, выработанную за счет других источников энергии. Первая в мире офшорная ветростанция находится к северу от острова Лолленд (южная часть Дании). ВЭС Виндеби, построенная в 1991 году коммунальными службами SEAS недалеко от Балтийского побережья Дании, состоит из одиннадцати ВЭУ мощностью 450 кВт каждая. Они установлены на расстоянии от 1,5 до 3 км к северу от береговой линии острова Лолленд, поблизости от населенного пункта Виндеби. ВЭУ были спроектированы так, чтобы высоковольтные трансформаторы находились непосредственно в башнях, а входные двери располагались выше, чем обычно. На станции установлены также две анемометрические мачты для изучения ветровых условий, в частности, турбулентности. Проект был выполнен безупречно. Несмотря на то, что производство электроэнергии несколько уменьшено из-за существующего препятствия для потока ветра со стороны острова Лолленд, все же оно превышает на 20% показатели аналогичных береговых станций. Офшорная ВЕС в Дании (Vindeby)
Вторая в мире офшорная ВЭС расположена также в Дании, между полуостровом Ютландия и маленьким островом Туна. Офшорная ВЭС Туна Кноб в Каттегатском море, построенная в 1995 году коммунальными службами Msdtkraft, расположена в районе, где глубина составляет 3-5 м. Эта территория имеет большую экологическую ценность как район обитания множества птиц и как живописная часть прибрежной ландшафтной зоны. Кроме того, во время планирования ВЭС было выполнено тщательное археологическое исследование участка. ВЭС состоит из десяти 500 кВт горизонтально-осевых ВЭУ с регулируемым наклоном лопастей. Ротор каждой машины имеет диаметр 39 м, состоит из 3 лопастей и является наветренным. Турбины установлены на специально разработанных бетонных фундаментах с кессонами. ВЭУ подсоединены к центральной энергосистеме Ютландии 6-километровым подводным кабелем. Работа каждой турбины контролируется дистанционно из центра управления, расположенного в Хасле. Система контроля постоянно собирает все необходимые данные, которые передаются по системе радиосвязи от каждого датчика каждой турбины на компьютеры в Хасле. Согласно обычной программе по обслуживанию и ремонту ВЭС, проведение регламентных работ непосредственно на ВЭС необходимо лишь 2 раза в год. ВЭУ были специально разработаны для работы в морских условиях. Для замены основных компонентов, например, таких как генераторы, не прибегая к помощи плавучих кранов, каждая оборудована электрическим подъемным краном. Коробки передач также были модернизированы, что позволило на 10% увеличить частоту вращения по сравнению с турбинами традиционных ВЭС. В результате производство электроэнергии увеличилось приблизительно на 5%. Подобная модернизация осуществима в условиях морского пространства, так как для ВЭС, которая находится в 3 км от острова Туна и в 6 км от полуострова Ютландия, не существует особых проблем, связанных с распространением шума. Результаты работы ВЭС оказались отличными: выработка энергии оказалась выше расчетной. Так, на ноябрь 1995 года ВЭС выработала 1,3 ГВт·ч электроэнергии, что на 40% превысило предполагаемую величину. Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии оценивается на уровне 0. 49 датских крон (около 0.07 центов США) при годовой производительности в 15 ГВт·ч. Затраты на строительство ВЭС Туна Кноб оценены в 78 млн. датских крон (около 12 млн. евро). Уровень шума от работы офшорной ВЭС на ближайшем к станции острове Туна составляет 15 децибел (тише, чем человеческий шепот), на территории Ютландии шума не слышно совсем.

 

МАЛЫЕ ВЕТРОТУРБИНЫ

Малые ВЭУ могут быть подсоединены к центральной энергосистеме или использоваться автономно, т.е. без подсоединения к общей сети. Связанные с энергосистемой ВЭУ уменьшают потребление коммунальными службами электроэнергии, необходимой для освещения, работы электроприборов и отопления. Если ВЭУ производит больше электроэнергии, чем необходимо для данного хозяйства, избыток может быть продан в центральную сеть, причем, благодаря современным технологиям, переключение происходит автоматически. Автономные ВЭУ идеально подходят для домов, ферм или общинных хозяйств, находящихся в удалении от высоковольтных линий. При соблюдении определенных условий может быть использована любая модель ветряка.

Малые ВЭУ, обеспечивающие электроэнергией домашнее хозяйство или работу водяных насосов - наиболее интересные примеры использования энергии ветра на отдаленных территориях. Подобные ветроустановки представляют особый интерес для развивающихся стран, где миллионы сельских хозяйств еще долго не будут присоединены к единой энергосети, продолжая использовать для освещения свечи или керосиновые лампы, а радио или другие электробытовые приборы будут работать лишь на батареях. Мощность ВЭУ, используемых для частного хозяйства, варьируется от нескольких Вт до нескольких тысяч Вт, и они могут использоваться в экономном режиме в зависимости от количества потребляемой энергии. В областях, где средняя годовая скорость ветра более 5 м/сек, можно использовать простые ВЭУ с выработкой энергии от 100 до 500 Вт. Этого количества электроэнергии достаточно для подзарядки аккумуляторов и обеспечения электропотребления частного дома. При выборе ВЭУ семья обычно уделяет большое внимание вопросу, связанному с количеством вырабатываемой электроэнергии и количеством услуг, получаемых от работы ВЭУ (освещение, обеспечение работы радио, телевизора и других бытовых приборов). Однако, высокая стоимость готовой ветросистемы, составляющая от нескольких сотен до тысячи долларов США, являлась препятствием для многих семей в развивающихся странах.

 

ВЕТЕР "ПРОТИВ" ДИЗЕЛЯ И РАСШИРЕНИЯ ЭНЕРГОСЕТЕЙ

Использование малых ВЭУ часто имеет ряд социально-экономических преимуществ перед использованием дизельных генераторов или расширением существующей энергосистемы. Ветросистема меньше по размеру, она представляет собой единый модуль и необходимо меньше времени на ее установку, чем на работы по расширению существующей энергосистемы. Во многих странах продление высоковольтной линии передач на расстояние в 1 км будет стоить дороже, чем малая ВЭУ небольшой установленной мощности. С другой стороны, по сравнению с дизельными генераторами первоначальная стоимость ВЭУ выше, но с точки зрения пользователей они намного лучше в работе. Некоторые агентства с благотворительной целью поставляют дизельные генераторы в страны третьего мира бесплатно, но затраты, связанные с их эксплуатацией (топливо, обслуживание, ремонт, запчасти) ложатся на плечи местного населения. Естественно, что для решения этих проблем необходима твердая валюта, а ее отсутствие вызывает резкое ограничение по использованию генераторов и сроку их службы. Многим странам приходится импортировать ископаемое топливо, и потребность в дизельном топливе увеличивает нагрузку на импорт. В подобных случаях малые ВЭУ могут быть лучшей альтернативой. Экономические расчеты для малых ВЭУ показывают их конкурентоспособность, особенно это справедливо для ветротурбин мощностью более 250 Вт. На территории, где средняя скорость ветра превышает 4 м/сек, установка ВЭУ для ежедневной выработки электроэнергии до 1 кВт·ч будет дешевле, чем использование дизельного генератора, расширение энергосети или установка фотоэлектрических систем. Подобные ветровые показатели характерны для большинства развивающихся стран. При необходимости более высокой ежедневной выработки энергии "экономика" ветроэнергетики становится еще лучше. Например, ВЭУ мощностью 10 кВт уже при скорости ветра в 3-3,2 м/сек становится рентабельной. Территорий, где скорость ветра менее 3 м/сек, не так уж много. На территории Монголии, например, действуют 50 тысяч малых ВЭУ. Подобный успех стал возможен благодаря благоприятным климатическим условиям и последовательной маркетинговой политике. Минимальная ежемесячная скорость ветра более 5 м/сек, существующая в течение года на обширных степных территориях, является залогом бесперебойного обеспечения кочевников электроэнергией. Использование электрического освещения, радио и телевещания представляют собой те немногочисленные современные удобства, которые доступны людям, проживающим в этих отдаленных местах. Несколько частных компаний, конкурируя друг с другом, разработали дешевые и доступные модели ВЭУ. Местные власти субсидируют до 50% стоимости оборудования.

 

СТОИМОСТЬ

Малые ВЭУ являются привлекательной альтернативой или дополнением для людей, у которых энергопотребление, необходимое для бизнеса или дома, превышает 100-200 Вт. В отличие от фотоэлектрических систем, у которых, в основном, себестоимость электроэнергии не зависит от площади фотоэлектрических батарей (ФЭБ), себестоимость электроэнергии, выработанной за счет ветра, уменьшается пропорционально увеличению размера установки. Например, 1 Вт установленной мощности 50 Вт-ной ВЭУ будет стоить около 8 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт ФЭБ - 5 долларов США. Поэтому при прочих равных условиях фотоэлектричество обойдется дешевле. Но с увеличением размеров ВЭУ понижается стоимость 1 Вт установленной мощности: для ВЭУ мощностью 300 кВт 1 Вт мощности будет стоить до 2,5 долларов США, в то время как стоимость 1 Вт мощности ФЭБ 300 кВт будет по-прежнему стоить 5 долларов США. Для ВЭУ установленной мощности 1500 Вт удельная стоимость понизится до 2 долларов США за 1 Вт, а для ВЭУ установленной мощности 10 000 Вт стоимость (без учета электроники) будет 1,50 доллара США за 1 Вт. Стоимость систем управления и контроля для ФЭБ по существу такая же, как и для ВЭУ. Стоимость электропроводки для ФЭБ выше, чем для ВЭУ.

 

КОМПОНЕНТЫ МАЛЫХ ВЭУ

Ветросистемы, применяемые в отдаленной или сельской местности, по существу имеют те же компоненты, что и ФЭБ. Большинство моделей подобных ВЭУ разработано для зарядки аккумуляторов, поэтому они снабжены регулятором для предотвращения перегрузки. Регулятор специально разрабатывается под каждую ВЭУ. Регуляторы, работающие с ФЭБ, не подходят для ВЭУ, так как они не предназначены для работы с напряжением переменного тока, что характерно для ВЭУ. Малые ВЭУ обычно состоят из лопастей, генератора переменного тока, регулятора и электронной системы контроля. Лопасти обычно производят из углеродного композитного волокна, которое "скручивается", когда турбина выходит на режим номинальной мощности. Благодаря этому эффекту "скручивания" волокна изменяется форма лопасти, что в свою очередь действует как тормоз для лопасти, останавливая ее. Это смягчает работу генератора переменного тока, предотвращая повреждения, которые могут быть из-за сильного ветра. Генератор переменного тока разработан таким образом, чтобы максимально использовать энергию ветра. Он снабжен постоянными магнитами и обычно не имеет щеток, что повышает его эффективность и удлиняет срок действия без специального обслуживания. Электронная система контроля поддерживает нужную нагрузку на генераторе переменного тока, предотвращая, таким образом, превышение скорости, независимо от состояния батареи. Во время зарядки батареи регулятор периодически "проверяет" линию, следя за потерями напряжения и контролируя состояние батареи. В момент, когда батарея полностью зарядилась, регулятор "отключает" заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛЫХ ВЭУ

Как уже было сказано ранее, ветроэнергетика является экономически выгодной альтернативой дизельным генераторам для жителей отдаленных областей. В частности, малые ВЭУ в основном используются сельскими жителями для таких целей: подъем воды и получение сжатого воздуха; производство электроэнергии (таким образом, содействуя развитию современных технологий, работающих на электричестве); осуществление механического привода.

 

ПОДЪЕМ ВОДЫ

Энергия ветра всегда широко использовалась человечеством для подъема воды. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских неэлектрифицированных районах. Они используются фермерами в первую очередь для обеспечения питьевой водой, а также водой, необходимой для хозяйственных нужд. Водяные насосы, работающие за счет ветра, широко используются жителями развивающихся стран, у которых интерес к этой технологии очень высок из-за важности обеспечения водой сельскохозяйственных районов, а также благодаря простоте в обслуживании. В редких случаях можно предположить, что ВЭУ может обеспечивать все 100% необходимой электроэнергии. Как правило, ВЭУ применяются в комбинации с другими источниками энергии, имеющимися в наличии в каждом отдельном случае. Это означает, что для обеспечения водой, как питьевой, так и хозяйственной для ирригационных или дренажных работ, необходимо установить подходящую комбинацию различных насосных систем, а также систему хранения воды. При необходимости ежедневного подъема воды в количестве до 10 м³ системы ручных (или ножных) насосов, лебедок, а иногда и насосы, работающие за счет энергии Солнца, являются прекрасным дополнением для насоса, работающего за счет энергии ветра. Но, если ежедневная потребность в воде увеличивается, дизельные или электрические насосы становятся более конкурентоспособными. Вопрос выбора правильной комбинации насосных систем с точки зрения экономики и местных условий зависит от разнообразия физических, социально-экономических и социально-культурных условий, характерных для данной местности. Все эти условия, которые мы не будем детально обсуждать в связи с ограниченностью нашего курса, имеют большое значение при планировании водоснабжения сельских районов. Причины неудачно проведенных проектов по внедрению водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, заключаются в несоблюдении одного или большего количества этих условий или предпосылок. Так, например, комбинация ветрового и ручного насосов может быть правильным решением для снабжения водой населения при условии, что в этом районе ветровой потенциал в течение года достаточен для работы ветряка. Если необходима небольшая ирригационная система, то небольшой передвижной дизельный насос, которым могут пользоваться несколько фермеров, является наиболее удобным дополнением к ветряку. Еще один фактор, влияющий на широкомасштабное внедрение ветровых насосных установок - это финансовая и техническая возможность потенциальных потребителей, как, впрочем, и наличие маркетинговых и сервисных служб на конкретном рынке. Сейчас на рынке существуют несколько производителей ветровых насосных установок. Эти системы предназначены для подъема воды при скорости ветра 2-4 м/сек из скважин глубиной до 1000 метров. Типичная ветровая насосная установка, имеющая 3-х метровый ротор, может поднять до 2000 литров воды в час с глубины до 10 м при скорости ветра, равной 3 м/сек. Ветряк с 7-метровым ротором может "поднять" до 8000 литров воды в час при тех же условиях. Подобные агрегаты можно использовать для ирригации во время работ по восстановлению почвы или для водоснабжения отдаленных районов. Ветряки легко устанавливаются и просты в обслуживании.

 

ИРРИГАЦИЯ

Использование энергии ветра для ирригационных целей кажется проблематичным, так как потребность в воде и наличие необходимых ветровых условий подвержены сильным изменениям на протяжении года. Хороший и, самое главное, постоянный ветровой потенциал необходим для того, чтобы использование ветряков в ирригационных работах было целесообразным. В целом средняя годовая скорость ветра, равная 4 м/сек, является необходимой предпосылкой для того, чтобы использование ветровой насосной установки в ирригационных работах было рентабельно. Типовой проект по использованию ветровой насосной установки для ирригации был реализован в Индонезии. Сезон дождей в этой области короткий, и традиционно фермеры собирают один урожай риса в году. Во время сухого сезона, который длится около 75% времени, рисовые плантации используются к качестве пастбищ для крупного рогатого скота. Многие территории обладают значительными грунтовыми водными ресурсами, которые можно использовать для ирригации земли. В большинстве случаев для подъема воды используются маленькие керосиновые насосы мощностью 5 лошадиных сил. Эти насосы недороги, а затраты на топливо частично субсидируются правительством. Однако срок их службы составляет всего несколько лет и работают они с малой эффективностью, так что общие затраты за весь период их работы весьма высоки. Первоначальная стоимость малых ВЭУ выше, но общие затраты по их эксплуатации в течение всего срока службы достаточно низкие. Проект в Оесао, где грунтовые воды находятся на глубине всего 2-5 м, основан на применении ВЭУ, приводящей в движение центробежный насос, установленный на поверхности земли. Насос работает от переменного тока, а его скорость изменяется в соответствии с изменением скорости ротора ветряной турбины. Максимальная нагрузка - 3 л/сек. Система не требует топлива и регулярного обслуживания. Керосиновый насос используется в виде запасного. Система в Оесао была установлена в 1992 году в виде экспериментального демонстрационного проекта. С тех пор в Индонезии было установлено еще 15 подобных систем. В стране планируется установка большого количества малых ВЭУ для ирригационных работ.

 

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Ветер является превосходным источником энергии для телекоммуникационных объектов, так как высота и расположение площадок, подходящих для установки антенн, также подходят и для ветроустановок. Но ВЭУ, которые используются в подобных местах, должны быть особенно прочными из-за суровых климатических условий в горах.

 

ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

Весьма удобно использовать малые ветротурбины для зарядки аккумуляторов и их использования для освещения и работы бытовой техники. Хранение выработанной с помощью ветра электроэнергии в аккумуляторах дает возможность домовладельцу использовать эту энергию тогда, когда это необходимо. Многие модели малых ВЭУ дают напряжение от 14 до 28 В. Некоторые модели вырабатывают более высокое напряжение. Напряжение в 12-24 В может использоваться непосредственно для приборов постоянного тока или инвертироваться в 220 В переменного тока. Для питания стандартных бытовых приборов лучше вначале зарядить аккумулятор, чтобы избежать нагрузки на ВЭУ, так как при низкой скорости ветра может остановиться ротор.

 

СОХРАНЕНИЕ ТЕПЛА

Если существует потребность в горячей воде, то ее можно нагреть при помощи специального нагревателя, работающего на электроэнергии, выработанной за счет энергии ветра. Нагреватель обеспечивает стандартный резервуар горячей водой. Хранить электроэнергию в аккумуляторе дороже, чем получить горячую воду. Простейшая система для нагрева воды включает в себя термостат, предотвращающий закипание воды. Нагреватель должен соответствовать параметрам ВЭУ: если используется 1 кВт энергии, то нагреватель также должен быть мощностью в 1 кВт.

 

КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ "ВЕТЕР-СОЛНЦЕ"

Ветер и солнце могут отлично дополнять друг друга: зимой, когда часто дует ветер, комбинированные системы "ветер-солнце" могут, например, отапливать помещения, а летом, когда в избытке солнечной энергии - нагревать воду. Подобные гибридные системы особенно привлекательны для автономного электроснабжения. Эти системы представляют собой самообеспечивающие станции, не присоединенные к единой энергосистеме. Производительность фотоэлектрической батареи достаточно высокая летом и относительно низкая зимой. Это означает, что для годового энергообеспечения работа автономной ФЭБ будет характеризоваться перепроизводством летом, и к тому же необходимо организовать хранение выработанной энергии. Однако оба эти решения являются очень дорогостоящими. В свою очередь, обеспечение электроэнергией, выработанной за счет энергии ветра, в летнее время является проблематичным из-за частых безветренных дней. Поэтому преимущества гибридной системы "ветер-солнце" становится очевидным. На существенный вопрос о процентном соотношении между мощностными характеристиками ВЭУ и ФЭБ в комбинированной системе должен ответить разработчик данного объекта. Естественно, что при выборе многое зависит от необходимого годового объема электроэнергии и существующих местных климатических условий.