Ветроэнергетика XIX- XX века

В XIX-XX в. научно-технический прогресс, набиравший обороты огромными темпами, в корне изменил технологическую картину мира. Сталь, нефть, газ, новые материалы и возможности отодвинули далеко на задний план достижения сотен лет человеческой цивилизации. Но человечество так активно разрабатывает месторождения нефти, угля и газа, получает так много побочных эффектов от промышленного использования земельных недр, что логика разума и здравого смысла заставила вновь обратиться к энергии ветра. Один из первых экземпляров ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м, был установлен в 1926 г. в Берлине на башне высотой 15 м. Его крылья бы-ли сделаны из легкого металла - лоталя. Тогда же предпринимались попытки создать силовые установки на основе ветроагрегата для морских и речных судов. Работы эти, основанные на эффекте Магнуса (при вращении цилиндра в набегающем на него потоке воздуха появляется поперечная сила, действующая на него), со временем были свернуты. В 1980-е годы знаменитый океанограф Жак-Ив Кусто построил судно, работающий на том же принципе, доказав, как минимум, работоспособность идеи.
В России также заинтересовались возможностью выработки электроэнергии с помощью ветроустановок: в 1918 году ветряками занялся профессор В. Залевский, создавший теорию ветряной мельницы и сформулировавший несколько принципов, которым должна отвечать ветроустановка. В 1925 году профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. Отрасль начала стремительно развиваться, и в 1930-х годах Советский Союз был "впереди планеты всей" в использовании энергии ветра. Тогда было освоено производство разнообразных ветроустановок мощностью 3-4 киловатта, которые выпускались целыми сериями. В 1931 году в СССР, в районе Балаклавы, заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка. Опорная конструкция ветродвигателя (мачта) была построена по проекту В.Т. Шухова. Ветроагрегат с диаметром колеса 30 м и мощностью асинхронного генератора 100 кВт был на то время самым мощным в мире (мощность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50-70 кВт с диаметром колеса до 24 м.). Следом на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. В конце 40-х годов в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) и других организациях начались активные разработки ветроустановок. С 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт - про-образ современных европейских ветропарков и систем "ветродизель". Однако использование энергии ветра в крупномасштабной энергетике оказалось несвоевременным - нефть оставалась сравнительно дешевой, устойчиво сокращались капитальные вложения в строительство тепловых электростанций, развивалась гидроэнергетика. В 1960-1980-е годы энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство круп-ных ТЭС, ГЭС и АЭС: ветряки не выдержали конкуренции с электроэнергетическими гиганта-ми, объединившимися в единую национальную сеть, и в конце 1960-х годов их серийное производство было закрыто. Но время вносило свои коррективы, и государство снова обратилось в сторону малой генерации. В 1986 году постановлением ЦК КПСС и СМ СССР Госплану СССР и другим министерствам и ведомствам поручалось разработать «Мероприятия по увеличению использования в 1987-1990 годах нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве», в 1987 году была принята Государственная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика». Однако ветроэнергетика осталась вне этих документов. Ее развитие определило постановление Совмина СССР «Об ускоренном развитии ветроэнергетической техники в 1988-1995 годах». По нему предполагалось ввести к 1995 году 57 тысяч ветроустановок (в 1988-1990гг. – 14,3 тысяч). При этом были предусмотрены государственные централизованные капитальные вложения на развитие производственной базы. Однако руководство головной организации «Ветроэн» оказа-лось не готово к масштабной задаче, и задания выполнены не были. Но полностью вопрос с повестки дня не снимался. Минэнерго СССР предполагал построить экспериментальные системные ветростанции общей мощностью 58,5 МВт, в том числе: Ленинградскую ВЭС на берегу Финского залива (25 МВт), Джунгарскую ВЭС в Казахстане (15 МВт), Крымскую ВЭС на восточном побережье Крыма (125 Мвт). Несколько позднее возникла идея строительства Калмыцкой ВЭС (22 МВт) в 20 км. от Элисты. Одновременно велись работы по созданию ветроустановок 16, 30, 60, 100 и 250 кВт. К работам были привлечены МКБ "Радуга" (г. Дубна), НПО "Южное" (г. Днепропетровск), Тушинский машиностроительный за-вод (г. Москва), НПО «Ветроэн» (г. Истра), «Ленподъемтрансмаш» (г. Ленинград), ассоциация «Энергобаланс» (г. Москва). Но политический и экономический кризис 1990-х годов остановил работы на этих объектах. Не менее важной причиной явилось непонимание разработчиками того факта, что, в отличие от ракетной и авиастроительной практики, у них нет возможности и средств на изготовление конструкций, требующих длительной доводки при отсутствии сервисного обслуживания. Первые же поломки приводили к длительным простоям что, в свою очередь, укрепляло скептическое отношение к ветроэнергетике в целом.

Ветроэнергетика ХХI века

Россия имеет самый большой в мире ветропотенциал, ресурсы ее ветровой энергии определены в 10,7 ГВт. К благоприятным зонам развития ветроэнергетики относится Северо-Запад страны (Мурманская и Ленинградская области), северные территории Урала, Курганская об-ласть, Калмыкия, Краснодарский край, Дальний Восток. В целом технический потенциал ветровой энергии России оценивается более чем в 50 000 млрд. кВтч/год, экономический потенци-ал составляет 260 млрд кВт-ч/год, т.е. около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями страны. Реализованы эти возможности незначительно. На сегодня в России насчитывается около 13 МВт установленной мощности (0,1% всей вырабатываемой в стране энергии). Самой мощной на сегодняшний день считается ветроэлектростанция в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка - в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании (все ВЭУ – производства Vestas). Ее суммарная мощность составляет 5,1 МВт.

Всего в работе находятся следующие системные ВЭС:
1. Калининградская ВЭС (см. выше).
2. Воркутинская ВЭС мощностью 1,5 МВт (агрегаты НПО «Южное»).
3. Камчатская ВЭС (о. Беринга, п. Никольское) – 2 ВЭУ мощностью 250 кВт производства Micon, Дания.
4. Тюпкельды ВЭС (г. Октябрьский, Башкирия) – 4 ВЭУ мощностью 550 кВт производства HAG, Германия.
5. Ростовская ВЭС - 10 ВЭУ мощностью 30 кВт производства HSW, Германия.
6. Мурманская ВЭС – 1 ВЭУ мощностью 200 кВт, производства Micon, Дания.
7. Чукотская ВЭС – 10 ВЭУ мощностью 250 кВт производства НПО «Ветроэн».

Помимо сетевых ВЭУ, в России созданы и выпускаются небольшими партиями малые ВЭУ на приличном технологическом уровне. Среди их изготовителей: МКБ «Радуга» (8-16 кВт), ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электоприбор» (40, 500 и 1000 Вт), НПК «Ветроток» (4 и 16 кВт), АО «Долина» (2 и 5 кВт), ООО «Спецремтекс» (1,5 кВт), НПО «Электросфера» (5 кВт). В январе 2009 г. Премьер-министром РФ В.В. Путиным подписано Постановление Правительства №1-р о доведении к 2020 г. доли ВИЭ в электрогенерации России до 20% (15,5 % должно вырабатываться большими гидростанциями, 4,5% - другими видами ВИЭ, в т.ч. и ВЭС). Суммарные цели по ВИЭ подразумевают долю ВЭС к 2020 г. – примерно 1% (17,5 млрд кВт-ч при суммарной установленной мощности ВЭС 7 ГВт).

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

*) Данные за 2004 г.

**) Данные за 2008 г.

За рубежом возобновляемая энергетика начала всерьез развиваться после нефтяного кризиса середины 1970-х годов. Незадолго до этого китайский лидер Мао Цзэдун сказал по совсем другому поводу слова, под которыми сегодня охотно подпишутся энергетики: «Когда начинают дуть ветры перемен, надо успеть построить побольше ветряных мельниц». И хотя на первых порах ветроэнергетические станции (ВЭС) не давали прибыли, власти ряда стран дотировали отрасль. Сегодня мировая ветроэнергетика вышла на прибыль и существует без каких-либо дотаций, но в условиях активного госрегулирования. В настоящее время доля энергетики на ВИЭ в мировом производстве энергии – 18,2%. Есть все основания ожидать, что к 2020 году доля ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии достигнет 10%. Для сравнения: заявленная Россией доля энергетики на ВИЭ в общем энергобалансе - 2,5% к 2015 году и 4,5 % (без учета больших ГЭС) к 2020 году.

Ветроэнергетика как сектор энергетики присутствует в более чем 50 странах мира.
Страны с наибольшей установленной мощностью:
- Германия (18 428 МВт),
- Испания (10 027 МВт),
- США (9 149 МВт),
- Индия (4 430 МВт)
- Дания (3 122 МВт)
Ряд других стран, включая Италию, Великобританию, Нидерланды, Китай, Японию и Португалию, перешли отметку в 1 000 МВт. Так, в Германии в настоящее время около 3% всей энергии вырабатывается ветровыми электростанциями. В течение 2005 года более чем в 30 странах было введено в совокупности 11 531 МВт новых мощностей. Таким образом, среднегодовой рост увеличился на 40,5%, а общая установленная мощность выросла на 24%. На конец 2005 года суммарная установленная мощность ветровой энергетики составила 59 084 МВт.

До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС, но сегодня эта тенденция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году зарегистрирован рекордный уровень роста. С целью экономии земельных площадей и достижения большей силы начато перемещение ветроустановок большой мощности на морские оффшорные платформы, которые, как ожидается, смогут производить 27% всей ветровой энергии в Евросоюзе. Ветроэнергетический рынок – один из самых динамично развивающихся в мире. Его рост за 2009 год – 31%. Доля России в этом рынке – 0,013%. При этом потенциальная емкость российского ветроэнергетического рынка составляет: 135 млрд. руб. - к 2013 году, 315 млрд. руб. – к 2015. Для сравнения: объем мирового рынка ветроэнергетики составил в 2009 году 2 250 млрд. руб. Прирост мощности ВЭС в 2009 г. составил 38.103 МВт, вплотную приблизившись в суммарным 160.000 МВт. Это означает прирост 35% мощности за год. Китай стал самым крупным рынком по новым установленным мощностям ветроагрегатов с показателем за 2009 г. 13.750 МВт. США установили почти 10.000 МВт, Европа – 10.738 МВт.

Начиная с 1980 года установленная мощность ветровых турбин в ЕС выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80%.

Как действует ветроэнергетика

В Большой Советской Энциклопедии ветроэнергетика определяется как «отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве».

Ветроэнергетика состоит из двух основных частей: ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приёмы проектирования технических средств (агрегатов и установок), и ветроиспользования, включающего теоретические и практические вопросы оптимального использования энергии ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономических показателей, обобщение опыта применения установок в народном хозяйстве.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Источник: German Wind Energy Association (BWE).

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. На-пример, турбины мощностью 3 МВт производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высота башни 70 метров, диаметр лопастей 90 метров. Самые большие в мире ветрогенераторы выпускает немецкая компания REpower (REpower Systems). Диаметр ротора этой турбины 126 метров. Мощность таких установок доходит до 6 МВт, вес гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 м.
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя ло-пастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Бы-ли попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, т.е. с вер-тикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная про-блема таких генераторов - механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветро-энергетике.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше) строятся офшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.
Ветроэнергетика использует результаты аэрологических исследований, на базе которых разрабатывается ветроэнергетический кадастр. По его данным выявляют районы с благоприятным ветровым режимом, устанавливают виды работ, где применение ветровой энергии целесообразно и экономически выгодно по сравнению с другими энергоисточниками.

Достоинства и недостатки

Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверх-ности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс воздуха - ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно до-бывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Кроме того, ветроэнергетика - это экологически чистое производство энергии, без вреда человеку, природе, окружающей среде и земным недрам. В то же время существуют и недостатки ветроэлектростанций, которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника - не-постоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) в рамках длительных периодов времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, особенно на боль-ших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом. Но в современной ветроэнергетике этот недостаток сводится к минимуму тем, что ветромониторинг, начинающийся еще на предпроектной стадии, продолжает вестись и в дальнейшем. Накопленная база данных ветропотенциала позволяет прогнозировать выработку ветропарка уже на 2-м году его эксплуатации на 24 часа вперед с достаточно высокой для электрических сетей точностью. В зонах с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/с) на 1 км2 можно получить годовую выработку электроэнергии около1 млн кВт-ч. Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому, даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки лопастей способна уменьшить его, но очень незначительно. Но на расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). К тому же в России есть возможность смонтировать установку на расстоянии 700-1000 м от застройки.
На Западе главные проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, удалось решить еще в середине 1990-х годов. Был снижен уровень шума и вибраций путем подбора скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей.

Типы ветроэлектростанций

Ветроэлектростанции XXI века мало чем напоминают ветряные мельницы, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам. Чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается. Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции. Крыльчатые ВЭС - их еще называют ветродвигателями традиционной схемы - представ-ляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения (самый простой аналог - детская вертушка). Система устанавливается в самое выходное положение в потоке ветра с по-мощью крыла-стабилизатора (наподобие флюгера). На мощных станциях, работающих на сеть, для этого используется электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90% рынка. Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены «приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Одна-ко следует иметь в виду, что ветроагрегаты с вертикальной осью вращения до сих пор не смог-ли доказать своей практической и экономической значимости, в результате чего они, по боль-шому счету, отсутствуют в современной промышленной ветроэнергетике. Есть и оригинальные проекты, появившиеся не так давно - это ВЭС принципиально новой конструкции, состоящие из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример - многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов. Конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические пара-метры, уменьшаются механические потери и т.д.

Быстро, выгодно, удобно

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1200-1400 евро на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии - 3,5-7 центов за 1 кВт-ч (10 лет назад - 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рас-считывать на то, что цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5-7 лет, системы "ветродизель" - за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться. Наша страна обладает самым большим в мире 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 ми-ровой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на вы-соте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с, при-том, что "золотым" порогом ветроэнергетике считается скорость ветра 5 м/с (это связано с окупаемостью станций).

Но, несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветро-энергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сель-ских поселков и дачных участков. Основная причина - отсутствие инвестиций и законодатель-ной базы.