Реферат: Состояние и перспективы использования ветроэнергетики

Министерствообразования Республики Беларусь

БелорусскийГосударственный Экономический Университет

РЕ Ф Е Р А Т

на тему:

" Состояние и перспективыиспользования ветроэнергетики".

студентки ФЭФ, 1 курс Абражевич А. С.

гр. ФКВД-1

руководитель Бобрович А. Б.

Минск,2001 г.

Солнце по-разному обогревает разныеучастки земной поверхности – горы и долины, океаны и сушу. Воздушный океан, надне которого мы живем, всегда неспокоен. Постоянно и повсюду дуют ветры – отлегкого ветерка, приносящего желанную прохладу в летний зной, до могучих игрозных ураганов

Огромная энергиядвижущихся воздушных масс, и мысль об ее использовании давно уже привлекалалюдей. Да и использовать эту энергию научились за тысячу лет до нашей эры.Энергия ветра помогала преодолевать просторы океанов, ветряные мельницы служилиединственным источником энергии для тех человеческих поселений, где не было рекили моря. И теперь интерес к использованию энергии ветра, источниканескончаемого, не прошел, и, более того, техника ХХ века открыла для этого совершенно

новые возможности.

Активное использование экологическичистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всяческиприветствуется как мировой общественностью, так и правительствами развитыхстран. Признанным лидером в области ветроэнергетике являются США и ФРГ, гдеустановленная мощность ветроэнергетических установок составила в 1997 году 1590и 1550 Мвт. Последующие места занимают Дания, Индия и Нидерланды. В этихстранах мощности ветроэнергетических станций равнялась 825, 820 и 285 Мвт. Ветроэнергетическоемашиностроение обособилось в отдельную отрасль. На мировом рынке действуютдесятки достаточно крупных фирм. Имеются тенденции к увеличению производстваветроэнергии во многих странах мира, например в Дании, в настоящее времяветроэнергетические станции обеспечивают 4% потребляемой в стране энергии, то в2030 на их долю придется половина всей производимой в стране электроэнергии.

Ветроэнергетическаяустановка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра вэнергию вращения ротора генератора, который, и вырабатывает электроэнергию.Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площадилопастей ветрового ротора и скорости ветра. Поэтому ветроэнергетическиеустановки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своимгабаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает оченьбольшой.

Удивительно разнообразны конструкциисовременных ветроустановок. Питер Макгрэв из Англииразработал проект ветроэнергетической установки мощностью 3 тысячи киловатт сдвумя лопастями, укрепленными на горизонтальной оси. Известная авиастроительнаяфирма "Макдоннел – Дуглас" спроектировалаустановку такого же типа, но с тремя лопастями. А западногерманская фирма"Мессершмит – Бёльков – Блом"разработала конструкцию ветроколеса с одной лопастью длинной 74 метра,установленной на башне высотой 120 метров. Мощность этого гиганта должнасоставить 5 тысяч киловатт. Встречаются и конструкции, где ветер долженвращать устройство, напоминающее огромное велосипедное колесо, на которомвместо спиц укреплены лопасти.

Для эффективнойработы ветроустановок необходимы определенные требования по их размещению. Так,для относительно постоянной работы ветроэнергетических установок требуется ихразмещение в местностях, где ветровой потенциал составляет 2500 часов вгод.

Ветровые условиярайона применительно к ветроиспользованию характеризуются ветроэнергетическимпотенциалом, который включает в себя различные показателя ветра, определяемыепо результатам многолетних наблюдений: среднегодовые и среднемесячные скоростиветра; повторяемость скорости и направление ветра в течение года, месяца,суток; данные о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра;изменения его с высотой и т. п.

Достоверностьоценки ветрового потенциала местности – наиболее важный фактор, определяющийэффективность ветроэнергетических станций. В общем случае для его определениянеобходимо проведение непрерывных наблюдений в месте предполагаемогостроительства ветроэнергетических станций продолжительностью не менее года. Припроектировании большого количества ветроэнергетических станций эта задачатребует огромных трудозатрат, поскольку для каждой ветростанции рассматриваетсянесколько вариантов площадок.

Современныеветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя на высоте 50-70м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для мест строительства крупныхветроэнергетических станций, предназначенных для работы в мощныхэнергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера (10 м) должнасоставлять не менее 6 м

/с. Следуетучитывать, что наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая,куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобыустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или воднойповерхностью и ветроколесо было установлено достаточно высоко над местнымипрепятствиями, чтобы набегающий на него ветропоток был сильным, однородным с минимальнымифлуктуациями скорости и направления.

Энтузиасты ветроэнергетикипредлагают построить в наиболее ветреных местах Земли группы ветроагрегатов, соединятьих между собой, а затем полученную энергию передавать в энергетическую систему.Датские специалисты предлагают разместить ветровые электростанции в море, где силаветра всегда больше, чем на суше. Они подсчитали, что группа из двухсот морскихветроагрегатов может выработать за год столько энергии, сколько ее содержится вполумиллионе тонн угля.

Далее стоит вопросвыбора расчетных параметров ветроэнергетических установок для заданного(определенного расчетным путем или экспериментально) ветрового потенциала, т.е. выбора экономически оптимального размера ветроэнергетической установки. Так,например, в Калифорнии на ветроэнергетической станции «Алтамон»несоответствие выбранного типоразмера ветроэнергетической установки и действительноговетрового потенциала привело к тому, что установка вырабатывает 50-60%расчетного количества энергии. Затем следует обосновать оптимальные срокислужбы и оптимальные показатели надежности ветроэнергетической установки,решить вопросы резервирования, изучить характеристики потребителей, рассмотретьобласть целесообразного использования ветроэнергетических установок в зависимостиот конкретных условий.

Следует отметить,что была разработана классификация силы ветра по шкале Бофора и изучено влияниеее на характеристики ветроэнергетических установок различных классов и условияих работы.

Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на ветроустановкии условия их работы.

Баллы Бофорта

Скорость ветра, м/с

Характеристика силы ветра

Наблюдаемые эффекты действия

Воздействие ветра на ВЭУ

Условия для работы ВЭУ при средней в данном диапазоне скорости ветра

0

0,0-0,4

Штиль

Дым из труб поднимается вертикально

нет

отсутствуют

1

0,4-1,8

Тихий

Дым поднимается не совсем отвесно, но флюгеры не подвижны. На воде появляется рябь.

2

1,8-3,6

Легкий

Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливое волнение

Плохие для всех установок

3

3,6-5,8

Слабый

Колеблются листья на деревьях, развеваются флаги, на отдельных волнах барашки

Начинают вращаться тихоходные колеса

Хорошие для тихоходных ветроколес

4

5,8-8,5

Умеренный

Колеблются тонкие ветки деревьев, поднимается пыль и клочки бумаги, на воде много барашков

Начинают вращаться колеса аэрогенераторов

Хорошие для аэрогенераторов

5

8,5-11

Свежий

Начинают раскачиваться лиственные деревья, все волны в барашках

Мощность ВЭУ достигает 30% проектной

Хорошие

6

11-14

Сильный

Раскачиваются большие ветки деревьев, гудят телефонные провода, пенятся гребни волн.

Мощность в расчетном диапазоне близка к максимальн.

Приемлемы для прочных малогабаритных установок

7

14-17

Крепкий

Все деревья раскачиваются, с гребней волн срывается пена

Максимальная мощность

Предельно допустимые

8

17-21

Очень крепкий

Ломаются ветки деревьев, трудно идти против ветра, с волн срываются клочья пены

Ряд ветроустановок начинает отключаться

Недопустимые

9

21-25

Шторм

Небольшие разрушения, срываются дымовые трубы

Все установки отключаются

10

25-29

Сильный шторм

Значительные разрушения, деревья вырываются с корнем

Предельные нагрузки

11

29-34

Жестокий шторм

Широко масштабные разрушения

Повреждение некоторых установок

12

Более 34

Ураган

Опустошительные разрушения

Серьезные повреждения, до разрушения установок

По данным американскихфирм, разрабатывающих ветровые установки, расчетная стоимость 1 кВт мощностисоставляет 935 долларов для станции мощностью 500 кВт и 430 долларов длястанции мощностью 1500 кВт, т. е. вполне приемлемые значения. Однако следуетучесть соображения о необходимости учета стоимости земельных и экологическихфакторов, что может существенно изменить указанные величины. Экономическиприемлемой считается работа ветровой установки в течение примерно 2500 ч/год.Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5-6 кВт экономическиоправдано при скорости ветра 3,5 – 4,0 м/с. Для больших установок требуетсяскорость ветра, равная 5,5 – 6,0 м

/c. Сразу жевозникает вопрос, – что делать потребителю в то время, когда нет ветра или егоскорость недостаточна для обеспечения работы установки? В этом случае имеется нескольковозможностей. Одна из них – использование резервного источника энергии, вчастности подключение другой энергосистемы. Другой вариант предусматриваетработу ветровой установки с аккумулятором энергии.

Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:

-

положениюветроколеса относительно направления ветра;

-

геометрииветроколеса;

-

по мощностиветроустановки.

В настоящее время технические средствавключают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные – сгоризонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколесапараллельна воздушному потоку; вертикальные – с вертикально осевой турбиной(ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.

Ветроколеса с горизонтальной осьюделятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные, многолопастные; свертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр,ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами(усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса,усилители потока специальной конструкции.

Следует отметить, что ветроколеса свертикальной осью вращения, в отличие от таковых с горизонтальной, находятся врабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальныминедостатками являются большая подверженность усталостным разрушениям из-завозникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента,приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-заэтого подавляющее большинство ветроагрегатов выполнено по горизонтально-осевойсхеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типоввертикально-осевых установок.

По мощностиветроустановки делятся на: малой мощности – до 100 кВт, средней – от 100 до 500кВт, и большой (мегаваттного класса) – 0,5-4 МВт и более.

Часто идет речь омалой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема длясельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителейв неэлектрофицированных районах и т.п. Во многих странах налажено серийноепроизводство ветроустановок малой мощности. Например, в России НПО«Ветроэн» серийно выпускает установки мощностью 4 кВт с диаметромколеса 6 м. Следует отметить, что малая ветроэнергетика не требует большихтерриторий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующиеусловия.

Выборхарактеристик ветроколеса для ветроустановки в конкретных ветровых условияхопределяется целями, которые перед ней ставятся. Обычно это требование максимизациипроизводства энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топливатепловыми станциями единой энергосистемы, либо обеспечение производстваопределенного минимума энергии даже при слабом ветре, чтобы, например, сохранитьработоспособность насосов системы водоснабжения.

Одной из важнейшиххарактеристик ветроколеса является его быстроходность, которая зависит от трехосновных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, скорости ветра,угловой скорости вращения колеса.

Горизонтальные ВЭУсреднего и мегаваттного класса имеют быстроходное колесо обычно с 2-3лопастями, которое вместе с капсулой агрегата с помощью автоматической системыориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время вряде стран осуществляется серийное производство таких ВЭУ с диаметром колеса20-40 м и мощностью 100-500 кВт, построены опытные горизонтальные ВЭУ сдиаметром колеса до 70-100 м и мощностью 3-4 МВт.

Для вертикальныхВЭУ не нужна система ориентации, что является их преимуществом, однако, из-заприсущих им недостатков они менее распространены и находятся в стадииусовершенствования конструкции. В настоящее время в энергосистеме работают ВЭУмощностью до 500 кВт, пущена опытная ВЭУ с диаметром ротора 64 м, высотой 110м, мощностью 4 МВт.

Следует отметить,что, чтобы получить мощность ветроустановки, например 1 МВт, требуется диаметр ветроколесапорядка 60 м. Отсюда и большая материалоемкость ветроэнергетики. По удельнойматериалоемкости (металлоемкости) ветроустановки на два порядка превышаюттепловые энергоустановки равноценной мощности, что в условиях всеобщего дефицитаметалла само по себе уже является большим недостатком ВЭУ. А тенденция заменыметаллических конструкций на стеклопластиковые требует экологического анализа последствийхимических производств, предшествующих созданию данных материалов.

Основным недостатком ветроэнергетическихстанций является изъятие под их строительство больших площадей земельныхресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадьиз расчета от 5 до 15 км2/МВт в зависимости от розы ветров иместного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена скм2 площади меняется в зависимости от района использования, типастанций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находитсяв диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70-200 км2,хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, чтов 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 400-800метров.

Наиболее важныйфактор влияния ВЭУ на окружающую среду – это акустическое воздействие. Шумовыеэффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум отредукторов, подшипников и генераторов) иаэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут бытьнизкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными (от 20 до нескольких кГц).Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовой эффект внепосредственной близости ВЭС достигает 50-80 дБ. Отдельную экологическуюпроблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт,когда на концах лопаток ветроколесбольшого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковойэффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека.Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такойшум, что ее нужно отключать в ночное время. Необходимо подчеркнуть, что помимоосновных экологических факторов воздействия ветроэнергетики на окружающую среду(блокировка земельных территорий, шумовые эффекты, металлоемкостьветроустановок), они требуют предварительного цикла добычи, переработкиметаллов, что оказывает косвенное влияние на окружающую среду.

Размещениеветровых парков влияет на миграцию птиц и рыб (для акваториальных ВЭС).Наконец, серьезным негативным экологическим последствием использования энергииветра является то, что в местах работы ветряков значительно ослабевает силавоздушных потоков, что может оказать влияние на климат, а также ограничить «проветривание»близлежащих промышленных районов. Еще одной негативной чертой ветроустановокявляются производимые ими помехи для воздушного сообщения и для распространениярадио- и телеволн, а также оптическое загрязнение ими ландшафта, что приводит коттоку туристов из мест расположения ВЭС. Вследствие этого может сложитьсяситуация, когда ущерб от уменьшения количества туристов может превысить экономическуювыгоду от использования ВЭУ, что имеет место, например, в некоторых районах напобережье ФРГ.

В странах ЗападнойЕвропы ветроэнергетика является приоритетным направлением государственной энергетическойполитики. Для Беларуси ветроэнергетика не является абсолютным новшеством. Внашей стране существуют серьезные научные разработки по данной тематике, опытныепроизводства и даже реализованные проекты.

Идеальные местадля «приручения» энергии ветра – это протяженные, продуваемые со всехсторон равнины, расположенные на возвышенностях. Именно на таких территорияхсреднегодовая скорость ветра превышает 5мс, что обеспечивает эффективнуюработу ветроэнергетических установок. Равнинные местности с высокой скоростьюветра в Западных странах встречаются довольно часто. Но не стоит забывать отом, что и Беларусь богата подобными территориями. По оценкам специалистов,наиболее перспективными для развития ветроэнергетики в Беларуси являютсяцентральная и западная часть Минской области, а также Витебская возвышенность.Более того, потенциал любой точки на территории Беларуси в отношении ееперспективности или неперспективности для ветроэнергетики может быть определенс помощью соответствующих расчетов, базирующихся на информации ветроэнергетическогоатласа страны и специального банка данных. Вопросы окупаемости и экономическойэффективности ветроэнергетических установок – сфера, где еще не расставлены всеточки над

«i". Еслиподходить к этой проблеме глобально, учитывая перспективы постоянного удорожанияэнергетических ресурсов и их грядущий дефицит, ветроэнергетическая техникаоднозначно является перспективным вложением средств. Однако в нашей странекак-то не принято строить долгосрочные планы и активно развивать направлениянауки и техники, противоречащие традиционному мышлению.

Да и стоимостьветроэнергетических установок не так уж и мала. Цена установки мощностью100-500 кВт составляет примерно 800 – 1000 долларов (не считая затрат на монтаж и эксплуатацию).Отечественные сторонники ветроэнергетической концепции считают, что окупаемостьтаких систем не превышает 4 лет.

Одна из первыхветроэнергетических установок в стране находится на выезде из Минска вмогилевском направлении. Она была разработана минской фирмой «Аэролла».Другая ветроустановка, разработанная НПГП «Ветромаш», работает вЗаславле, который практически является плацдармом для отработки новых решенийпо энергосбережению в Беларуси. В поселке Занарочь подготовлена площадка дляустановки ветростанции. И, наконец, в качестве положительного примера в областиэнергосбережения не недавно проходившей итоговой коллегии Минжилкоммунхоза былоназвано сооружение ветровой установки вГородке. Здесь такая система вырабатывает энергию на случай аварийного выходаиз строя обычных систем энергообеспечения.

Все эти пилотные проектысвидетельствуют о том, что в Беларуси для внедрения концепции ветроэнергетикина практике есть не только бесплатный ветер и благоприятные климатическиепредпосылки, но и люди, которые понимают, что лучше заботиться о будущем сегодня,чем обречь своих детей на бесперспективное завтра.

Литература:

1.

2.

Брылева, Л. Б. Воробьева, Мн., 1996.

3.

Хазановский П., М. 1984.

4. Белорусская ДеловаяГазета, № 727 от 01/03/2000.