Основные проблемы и перспективы ветроэнергетики

Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энергетику обусловлено рядом объективных причин.

Первая причина связана с особенностями ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие текущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра существенно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика показала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4…5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40% ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, Азово-Черноморская и Каспийская зоны.

Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра. Достоинства: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Недостатки: низка плотность энергии, приходящаяся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.

Вторая причина связана с особенностями преобразования энергии ветра в электрическую. Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двухили трехлопастное ветроколесо горизонтально-пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших — десятками метров.

Третьей причиной медленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вводимой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные электростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200…250 долл./кВт.

Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т. п.). К ним относятся:

• 1) специфические резкопеременные графики нагрузок;
• 2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;
• 3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;
• 4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.

Недостатком ветроэнергетических станций является также изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км²/МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с км² площади меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70−200 км², хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400−800 метров.

Наиболее важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду — это акустическое воздействие. Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16−20 Гц) и высокочастотными (до нескольких кГц). Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовой эффект в непосредственной близости ВЭС достигает 50−80 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно отключать в ночное время.

Современные относительно мощные ВЭУ производятся сейчас в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании, Великобритании. Как правило, они имеют трехили, реже, двухлопастные роторы. Установка обычно рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 метров в секунду; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать лопасти и несущая мачта, — 60 метров в секунду. Энергия вращения ротора передается на асинхронный генератор через редуктор и разъемную муфту, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. Хотя лопасти ВЭУ внешне похожи на вертолетные, условия их работы принципиально отличны. Лопастям придается специальная форма с сужением к концу для уменьшения шума от вращающегося ротора, капсула также имеет специальную звукоизоляцию. В результате уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ обычно не превышает 100 децибел.

Весьма перспективную концепцию, названную Windformer, предложила фирма ABB (ныне входящая в концерн ALSTOM). В этой ВЭУ, в отличие от традиционной, вместо обычного асинхронного генератора используется специальный генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, разъемная муфта, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 киловольт) преобразуется в постоянный ток. Несколько ВЭУ объединяются в группу (кластер), и энергия от них поступает по кабелям постоянного тока к общему преобразователю, подключенному к сети. Первая такая ВЭУ расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 метров и высотой мачты 70 метров сооружается в настоящее время в Швеции.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в России в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 суток. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.