Нетрадиционные возобнов. источники энергии

трубы установят турбины, вращать которые будет поток горячего воздуха, поступающий из огромного “парника” диаметром 7 км. Принцип тот же, что в вытяжной трубе: легкий горячий воздух стремится вверх (приложение А, рис. А 12).

«Солнечная башня» будет высотой 999 м – выше самого высокого здания в мире – небоскреба «Дубайская башня» в ОАЭ (828 м, 163 этажа) и Останкинской телебашни (537 м). Диаметр башни – 130 м. При хорошей погоде электростанцию можно будет увидеть с расстояния около 150 км. «Солнечная башня», на строительство которой требуется минимум $500 млн., окупит себя уже через 10 лет эксплуатации. Правда, львиную долю доходов планируется извлекать из карманов туристов – специально для них на башне сделают лифты и смотровые площадки.

Китай к 2019 г. планирует построить на севере страны самую большую в мире солнечную электростанцию. Новый объект будет возведен в автономном районе Внутренняя Монголия при помощи американцев.

Его суммарная мощность составит 2 ГВт, что более чем в 20 раз превышает мощность ныне действующей крупнейшей солнечной станции (приложение А, рис. А 13).

Вопросы для самопроверки

1.Какие существуют способы получения электроэнергии из солнечного излучения?

2.В чем отличие фотоэлектрических СЭС от термодинамиче-

ских?

3.Какие существуют типы солнечных электростанций?

4.В чем заключается суть фотовольтаического эффекта?

5.Что является теплоносителем на СЭС башенного типа и СЭС, использующих параболоцилиндрические концентраторы?

6.Что такое гелиостат?

7.Чем отличается двигатель Стирлинга от двигателя внутреннего сгорания? На каких СЭС он применяется?

8.Каковы перспективы развития солнечной энергетики?

20

2. ВЕТРОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

2.1. Общие сведения о ветроэнергетике

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию.

Ветроэнергетическая установка – комплекс взаимосвязан-

ного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (механическую, тепловую, электрическую и др.).

В соответствии с ГОСТ Р 51237-98 введены следующие понятия, характеризующие ветроэнергетические установки.

Ветромеханическая установка – ВЭУ, предназначенная для преобразования ветровой энергии в механическую для привода различных машин (насос, компрессор и т. д.).

Ветротепловая установка – ВЭУ, предназначенная для непосредственного преобразования ветровой энергии в тепловую.

Ветроэлектрическая установка – ВЭУ, предназначенная для преобразования ветровой энергии в электрическую с помощью системы генерирования электроэнергии.

Гибридные ВЭУ – системы, состоящие из ВЭУ и какого-либо другого источника энергии (дизельного, бензинового, газотурбинного двигателей, фотоэлектрических, солнечных коллекторов, установок емкостного, водородного аккумулирования сжатого воздуха и т. п.), используемых в качестве резервного или дополнительного источника электроснабжения потребителей.

Ветроэлектрическая станция (ВЭС) – электростанция, со-

стоящая из двух и более ветроэлектрических установок, предназначенная для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и передачу ее потребителю.

Ветроагрегат (ВА) – система, состоящая из ветродвигателя, системы передачи мощности и приводимой ими в движение машины (электромашинного генератора, насоса, компрессора и т. п.)

Сетевой ветроэлектрический агрегат – ВА с электромашин-

ным генератором, предназначенный для работы параллельно с электрическими сетями, мощность которых является бесконечно большой или большей, но соизмеримой по сравнению с мощностью ВА.

21

Автономный ветроэлектрический агрегат – ВА с электро-

машинным генератором, предназначенный для электроснабжения потребителей, не имеющих связи с электрической сетью.

Ветродвигатель (ВД) – устройство для преобразования ветровой энергии в механическую энергию вращения ветроколеса.

Система передачи мощности (СПМ) – комплекс устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата с повышением или без повышения частоты вращения вала этой машины.

Система генерирования электроэнергии (СГЭЭ) – электро-

машинный генератор и комплекс устройств (преобразователь, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.

В зависимости от мощности ВЭУ подразделяют на четыре группы [5]:

а) большой мощности – свыше 1 МВт; б) средней мощности – от 100 кВт до 1 МВт; в) малой мощности – от 5 до 99 кВт; г) очень малой мощности – менее 5 кВт.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. К началу 2015 г. общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 369 ГВт. В 2014 г. количество электрической энергии, произведѐнной всеми ветрогенераторами мира, составило 430 ТВт·час (2,5 % всей произведѐнной человечеством электрической энергии).

Крупные ВЭС включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалѐнных районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ВЭС сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаѐт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надѐжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

22

Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м г. до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII-м в. принесены в Европу крестоносцами.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX-м в. в Дании. Там в 1890-м г. была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му г. насчитывалось уже 72 станции мощностью 5…25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырѐхлопастные роторы диаметром 23 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 г. в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му г. единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт (США). В период с 1940-х по 1970-е гг. ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.

Мощность ветроагрегата N зависит от плотности воздуха , скорости ветра V и площади, ометаемой лопастями генератора S.

Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 до 10 м/с, мощность увеличивается в 8 раз.

Воздушные потоки у поверхности земли/моря являются ламинарными – нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 м. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растѐт в мире. Ветроагрегат начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с.

Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 м, высоту башни 70 м и диаметр лопастей 90 м.

23

В августе 2002 г. компания Enercon построила прототип ветроагрегата E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 г. турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 г. германская компания REpower Systems построила свой ветроагрегат мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 м, масса гондолы – 200 т, высота башни – 120 м. В конце 2005 г. Enercon увеличил мощность своего ветроагрегата до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 м, высота башни 124 м. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения. В январе 2014 г. датская компания Vestas начала тестировать турбину V-164 мощностью 8 МВт. На сегодняшний день это наиболее мощный ветрогенератор в мире.

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд. кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд. кВт·ч/год, т. е. около 30 % производства электроэнергии всеми электростанциями России.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период – период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % – в Северном экономическом районе, около 16 % – в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на начало 2015 г. составляет около 90 МВт.

Самой крупной ветроэлектростанцией в России является Останинская ВЭС, расположенная в Республике Крым. Ее установленная мощность составляет 25 МВт.

Существуют проекты на разных стадиях проработки: Ленинградской ВЭС (75 МВт, Ленинградская область), Ейской ВЭС (72 МВт, Краснодарский край), Калининградской морской ВЭС (50 МВт), Морской ВЭС (30 МВт, Карелия), Приморской ВЭС (30 МВт, Приморский край), Магаданской ВЭС (30 МВт, Магаданская область), Чуйской ВЭС (24 МВт, Республика Алтай), Усть-Камчатской ВДЭС

24

(16 МВт, Камчатская область), Новиковской ВДЭС (10 МВт, Республика Коми), Дагестанской ВЭС (6 МВт, Дагестан), Анапской ВЭС (5 МВт, Краснодарский край), Новороссийской ВЭС (5 МВт, Краснодарский край) и Валаамской ВЭС (4 МВт, Карелия).

2.2. Типы ветроэлектрических установок

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэлектрических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:

по мощности – малые (до 10 кВт), средние (10…100 кВт), крупные (100…1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

по числу лопастей рабочего колеса – одно-, двух-, трех- и многолопастные;

по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока – с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 7, а) или перпендикулярной вектору скорости (рис. 7, б).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распростра-

нение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вра-

щения, в состав которых входят следующие основные компоненты (рис. 7, а): рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Рис. 7. Виды ветроэлектрических установок:

а) с горизонтальной осью вращения, б) с вертикальной осью вращения

25

Башня – чаще трубообразная, реже – решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизированные синхронные генераторы.

В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой – так называемый наветренный ротор или за опорой – подветренный ротор.

Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветроагрегаты с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа.

У ветродвигателей с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины – длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни (приложение Б, рис. Б 1). В мире существует всего лишь несколько производителей таких ветродвигателей, наиболее известный из них – компания «Flowind». Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, «захватывают» ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков. Автором идей создания турбины с вертикальной осью вращения является французский инженер Дарриус.

Другой разновидностью ветродвигателя является ротор Саво-

ниуса (рис. 8).

Рис. 8. Ротор Савониуса: а) двухлопастный;

б) четырехлопастный

26

Вращающий момент возникает при обтекани ротора Савониуса потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониуса. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,1…0,15.

Несмотря на свое внешнее различие, ветродвигатели с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой похожие системы. Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями ветродвигателя, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в аккумуляторах для более позднего использования.

По способу взаимодействия с ветром ветродвигатели 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. Ветродвигатели, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии. В то же время, эти ветродвигатели 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.

2.3. Типы ветровых электростанций

Наземная ВЭС

Самый распространѐнный в настоящее время тип ветровых электростанций.

Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветровые электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30…60 м (приложение Б, рис. Б 2). Принимаются во внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания и т. д. Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.

Крупнейшей в мире на данный момент ветровой электростанцией является электростанция Альта, расположенная в штате Ка-

27

лифорния, США (приложение Б, рис. Б 3). На начало 2015 г. ее установленная мощность составляла 1,32 ГВт. В настоящее время станция находится на стадии строительства. Проектная мощность, которую предполагается достичь к концу 2015 г., составляет 1,55 ГВт. Планы по максимальному увеличению установленной мощности составляют 3 ГВт.

Прибрежная ВЭС

Прибрежные ветровые электростанции строят на небольшом удалении от берега моря или океана (приложение Б, рис. Б 4). На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоѐма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой – с остывшего побережья к водоѐму.

Шельфовая (оффшорная) ВЭС

Шельфовые ветровые электростанции строят в море: 10–60 км от берега. Шельфовые ветровые электростанции обладают рядом преимуществ:

их практически не видно с берега; они не занимают землю;

они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.

Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветроагрегатов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 м. Электроэнергия передаѐтся на землю по подводным кабелям.

В 2013 г. в Великобритании была введена в эксплуатацию самая крупная в мире шельфовая ветроэлектростанция «Лондон Эррей», расположенная в оффшорной зоне устья реки Темзы, примерно в 20 км от побережья графств Кент и Эссекс (приложение Б, рис. Б 5). Установленная мощность станции составляет 630 МВт, а вырабатываемой ею энергии будет достаточно для обеспечения электричеством порядка полумиллиона домов региона. На ВЭС работают 175 ветровых генераторов, произведенных компанией Siemens, с роторами диаметром 120 м и мощностью 3,6 МВт каждый. Установлено подключение к двум сетевым подстанциям – двум оффшорным в Северном море и одной наземной.

28

Плавающая ВЭС

Первый прототип плавающей ветротурбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 г. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 м.

Норвежская компания StatoilHydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в сентябре 2009 г. Турбина под названием Hywind весит 5 300 т при высоте 65 м. Располагается она в 10 км от острова Кармой, неподалѐку от юго-западного берега Норвегии (приложение Б, рис. Б 6).

Стальная башня этого ветроагрегата уходит под воду на глубину 100 м. Над водой башня возвышается на 65 м. Диаметр ротора составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветроагрегата и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещѐн балласт (гравий и камни). При этом от дрейфа башню удерживают три троса с якорями, закреплѐнными на дне. Электроэнергия передаѐтся на берег по подводному кабелю.

Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора − до 120 м.

Вопросы для самопроверки

1.Где целесообразно размещать ветроэнергетические установки в Северо-Западном регионе России?

2.Какую предельную единичную мощность имеют современные ВЭУ?

3.Какие типы ветроэлектрических установок существуют?

Вчем их достоинства и недостатки?

4.Как устроена ветроэнергетическая установка?

5.Какой формулой определяется мощность ветроэнергетической установки?

6.Какие типы ветровых электростанций преобладают в настоящее время?

29